一种单个微纳米结构转移装置及其转移方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单个微纳米结构转移装置及其转移方法。本发明专利技术巧妙地设计了具有周期性凸起平台和坐标标记的微纳结构中转基片，通过显微镜实时观察以及原位操纵微纳操纵器，实现单个微纳米结构的精确定点转移；一方面，在微纳结构中转基片上能够完成对微纳米结构的初步表征分析；另一方面，在显微镜的原位观察下，通过坐标标记原位查找待转移的单个微纳米结构，并能够通过微纳操纵器的转移探针将其从微纳结构中转基片上提取出来，再精确转移至目标衬底基片上的指定位置，转移定位精度能够优于1微米；此外，本发明专利技术的转移方法采用了静电吸附的原理，在保证转移探针的尖头探针清洁的情况下，不会在微纳米结构转移过程中引入不明杂质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及单个微纳米结构的精确定点转移技术，具体涉及一种单个微纳米结构转移装置及其转移方法。
技术介绍
微纳米尺度下的材料和结构因其独特的物理化学性能而广泛应用于信息、能源、环境、生命科学和化工等领域，并且越来越展示出潜在的应用价值。在微纳米材料和结构研究中，往往需要观察和测量单个结构的物理化学特性，例如单根碳纳米管或半导体纳米线的电子输运特性，以探索其在微电子器件中的应用，再如单个金属纳米薄片的光学特性，以探索其在基于光学特性的环境或生物传感器中的应用，以及具有特殊形状的单个纳米结构的电子显微镜表征分析等等。此外，目前在宏观尺度下材料和器件的研究和应用中无法解释的科学问题或技术难题也需要在微纳尺度下寻找原理或解决方法，因此需要将宏观材料与器件加工至微纳米尺度，再通过微观表征检测方式对其开展研究。在微纳米材料和结构的加工制备过程中，往往众多结构混合在一起，比如使用化学气相沉积法制备纳米线或溶液方法生长纳米颗粒，通常在毫米尺度的衬底或溶液中集合了数以万计的微纳材料和结构，而无法转移出单个结构来进行微观结构和性能观测；另外，将宏观尺度下的材料器件加工至微纳尺度后，也通常需要将其转移至观测仪器中进行研究。目前针对单个微纳米结构的转移通常采用将其稀释分散在溶液中，再将溶液滴定在所需衬底上的方法，这种一次性批量转移方法首先无法做到针对特定的微纳米结构进行定点转移，只能从大范围随机分布在衬底上的微纳米结构中挑选处于所需定点位置的研究对象，其次，无法做到对于感兴趣的单个微纳米结构进行二次转移，一旦微纳米结构吸附至衬底上，将无法再次取出转移至另外衬底上进行其他表征分析或加工，第三，该方法容易在转移过程中引入不明杂质。
技术实现思路
为了实现单个微纳米结构的精确定点转移，本专利技术提供一种单个微纳米结构转移装置及其转移方法，通过巧妙的设计实现微纳米结构的精确定点转移。本专利技术的一个目的在于提供一种单个微纳米结构转移装置。本专利技术的单个微纳米结构转移装置包括：显微镜、微纳操纵器固定架、微纳操纵器、转移探针和微纳结构中转基片；其中，微纳操纵器固定架刚性固定安装在显微镜上；微纳操纵器刚性连接在微纳操纵器固定架上；转移探针安装在微纳操纵器的顶端；微纳结构中转基片位置固定的放置在显微镜的样品台上，在微纳结构中转基片上悬空承载待转移的微纳米结构；微纳结构中转基片包括基片、周期性的凸起平台和坐标标记，在表面平整的基片上通过微纳加工形成周期性的凸起平台和坐标标记，坐标标记为在基片的表面按照固定间距周期性排列的有规律标号，以标记周期性的凸起平台的准确位置，凸起平台之间形成凹槽，凹槽的宽度大于转移探针的尖端的宽度；对于具有一个维度大于凸起平台的微纳米结构，一部分位于凸起平台上，另一部分悬空于凸起平台之间的凹槽上。待转移的单个微纳米结构要求存在一个维度的尺寸超过5μm，例如准一维纳米线长度超过5μm，准二维纳米薄片的某边长超过5μm。显微镜采用光学显微镜，或者电子显微镜；显微镜包括显微镜主体、样品台、物镜和成像显示系统；其中，显微镜主体包括机械外壳、成像光路和照明系统；样品台、物镜和成像显示系统均连接至显微镜主体，样品台与物镜相对；样品台具有水平二维位置调节、高度调节以及旋转调节功能；物镜的放大倍率可调，显微镜整体放大倍率最高达到或超过2000～10000倍，物镜的工作距离大于10mm；成像显示系统为一台计算机，要求成像响应速率高，例如成像分辨率50万像素时，帧率超过60帧每秒。微纳操纵器包括粗调操纵器和细调操纵器；其中，粗调操纵器通过齿轮齿条机构或者阻尼滑轨机构进行三维位置调节，通过轴承锁紧机构进行倾角、摆角和旋转调节；粗调操纵器包括粗调安装固定装置、粗调位置调节机构和粗调传动杆，粗调安装固定装置固定安装在微纳操纵器固定架上，在粗调安装固定装置上安装粗调位置调节机构，在粗调位置调节机构的顶端刚性连接粗调传动杆；细调操纵器通过压电陶瓷或液压机构实现精细的三维位置调节，能够达到优于0.1微米的位置调节分辨率；细调操纵器包括细调安装固定装置、细调位置调节机构、控制器和细调传动杆，在粗调传动杆的顶端设置细调安装固定装置；在细调安装固定装置上设置细调位置调节机构，细调位置调节机构通过导电线缆或液压管连接至控制器，在细调位置调节机构的顶端刚性连接细调传动杆。转移探针包括三维转轴锁紧机构、探针固定杆和尖头探针；其中，三维转轴锁紧机构刚性安装在微纳操纵器的细调操纵器的细调传动杆的顶端；在三维转轴锁紧机构上安装探针固定杆；在探针固定杆的顶端刚性连接尖头探针；在微纳操纵器的带动下，转移探针能够进行位置调节；探针固定杆刚性连接尖头探针和微纳操纵器，并且通过三维转轴锁紧机构能够调节探针固定杆同微纳操纵器的细调操纵器的传动杆之间的角度；尖头探针的尖端直径小于0.5微米，通过尖端的静电吸附效应在单个微纳米结构转移过程中粘接所转移的单个微纳米结构。微纳结构中转基片包括基片、周期性的凸起平台和坐标标记；根据实验需要切割基片的大小；基片表面的周期性凸起平台的形状为方形或者圆形，尺寸在5～10微米之间，高度在1～3微米之间，相邻凸起平台的间距即凹槽的宽度在1～3微米之间，凸起平台的表面为抛光表面，平整度小于1纳米；坐标标记对微纳结构中转基片上的各个凸起平台的位置进行精确定位。本专利技术的一个目的在于提供一种单个微纳米结构的转移方法。本专利技术的单个微纳米结构的转移方法，包括以下步骤：1)将微纳米结构转移至微纳结构中转基片上：将含有微纳米结构的易挥发无腐蚀性溶液滴定在微纳结构中转基片上，或者将气相方法生长的微纳米结构基片直接触压在微纳结构中转基片上，实现微纳米结构转移至微纳结构中转基片上；2)通过显微镜实时观察和移动样品台，根据微纳结构中转基片上的坐标标记，寻找到待转移的单个微纳米结构的位置，将待转移的单个微纳米结构移动至显微镜的视野中央；3)显微镜实时观察，通过微纳操纵器的粗调操纵器操纵转移探针移动至显微镜的物镜与样品台之间，再通过微纳操纵器的细调操纵器控制转移探针的尖头探针的尖端进入待转移的单个微纳米结构悬空部分下方的凹槽中；4)通过微纳操纵器的细调操纵器控制尖头探针向上提起，使得尖头探针的尖端在上升过程中接触至单个微纳米结构底部，继续上提尖头探针，带动单个微纳米结构向上移动，继而离开微纳结构中转基片的凸起平台；5)当单个微纳米结构完全脱离凸起平台时，单个微纳米结构通过静电吸附效应吸附在尖头探针的尖端；6)进一步提升尖头探针的高度后，保持尖头探针的尖端和静电吸附的单个微纳米结构在现有位置，并保持在显微镜的视野中，此时显微镜成像聚焦于微纳结构中转基片表面的周期性的凸起平台的表面，尖头探针的尖端和静电吸附的单个微纳米结构在显微镜视野中呈现模糊图像；7)控制显微镜的样品台，首先降低样品台高度至安全高度，安全高度是指当样品台在二维平面内移动样品台时，样品台上所固定的微纳结构中转基片不会接触转移探针的尖头探针，微纳结构中转基片移出样品台，再将待接收微纳米结构的目标衬底基片移动至样品台上显微镜的视野中间，缓慢上升样品台，使显微镜成像聚焦于目标衬底基片的表面；8)再根据吸附在尖头探针的尖端上的单个微纳米结构的方位微调样品台的位置及方向，在显微镜高倍成像观察下，将目标衬底基片上待接收微纳米结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单个微纳米结构转移装置，其特征在于，所述转移装置包括：显微镜、微纳操纵器固定架、微纳操纵器、转移探针和微纳结构中转基片；其中，所述微纳操纵器固定架刚性固定安装在显微镜上；所述微纳操纵器刚性连接在微纳操纵器固定架上；所述转移探针安装在微纳操纵器的顶端；所述微纳结构中转基片位置固定的放置在显微镜的样品台上，在微纳结构中转基片上悬空承载待转移的微纳米结构；所述微纳结构中转基片包括基片、周期性的凸起平台和坐标标记，在表面平整的基片上通过微纳加工形成周期性的凸起平台和坐标标记，所述坐标标记为在基片的表面按照固定间距周期性排列的有规律标号，以标记周期性的凸起平台的准确位置，凸起平台之间形成凹槽，所述凹槽的宽度大于转移探针的尖端的宽度；对于具有一个维度大于凸起平台的微纳米结构，一部分位于凸起平台上，另一部分悬空于凸起平台之间的凹槽上。

【技术特征摘要】
1.一种单个微纳米结构转移装置，其特征在于，所述转移装置包括：显微镜、微纳操纵器固定架、微纳操纵器、转移探针和微纳结构中转基片；其中，所述微纳操纵器固定架刚性固定安装在显微镜上；所述微纳操纵器刚性连接在微纳操纵器固定架上；所述转移探针安装在微纳操纵器的顶端；所述微纳结构中转基片位置固定的放置在显微镜的样品台上，在微纳结构中转基片上悬空承载待转移的微纳米结构；所述微纳结构中转基片包括基片、周期性的凸起平台和坐标标记，在表面平整的基片上通过微纳加工形成周期性的凸起平台和坐标标记，所述坐标标记为在基片的表面按照固定间距周期性排列的有规律标号，以标记周期性的凸起平台的准确位置，凸起平台之间形成凹槽，所述凹槽的宽度大于转移探针的尖端的宽度；对于具有一个维度大于凸起平台的微纳米结构，一部分位于凸起平台上，另一部分悬空于凸起平台之间的凹槽上。2.如权利要求1所述的转移装置，其特征在于，所述显微镜采用光学显微镜，或者电子显微镜；所述显微镜包括显微镜主体、样品台、物镜和成像显示系统；其中，显微镜主体包括机械外壳、成像光路和照明系统；样品台、物镜和成像显示系统均连接至显微镜主体，样品台与物镜相对；样品台具有水平二维位置调节、高度调节以及旋转调节功能；物镜的放大倍率可调，显微镜整体放大倍率最高达到或超过2000～10000倍，物镜的工作距离大于10mm；成像显示系统为一台计算机。3.如权利要求1所述的转移装置，其特征在于，所述微纳操纵器包括粗调操纵器和细调操纵器；其中，粗调操纵器通过齿轮齿条机构或者阻尼滑轨机构进行三维位置调节，通过轴承锁紧机构进行倾角、摆角和旋转调节；粗调操纵器包括粗调安装固定装置、粗调位置调节机构和粗调传动杆，粗调安装固定装置固定安装在微纳操纵器固定架上，在粗调安装固定装置上安装粗调位置调节机构，在粗调位置调节机构的顶端刚性连接粗调传动杆；细调操纵器通过压电陶瓷或液压机构实现精细的三维位置调节，位置调节分辨率超过0.1微米；细调操纵器包括细调安装固定装置、细调位置调节机构、控制器和细调传动杆，在粗调传动杆的顶端设置细调安装固定装置；在细调安装固定装置上设置细调位置调节机构，细调位置调节机构通过导电线缆或液压管连接至控制器，在细调位置调节机构的顶端刚性连接细调传动杆。4.如权利要求1所述的转移装置，其特征在于，所述转移探针包括三维转轴锁紧机构、探针固定杆和尖头探针；其中，三维转轴锁紧机构刚性安装在微纳操纵器的顶端；在三维转轴锁紧机构上安装探针固定杆；在探针固定杆的顶端刚性连接尖头探针；在微纳操纵器的带动下，转移探针能够进行位置调节；探针固定杆刚性连接尖头探针和微纳操纵器，并且通过三维转轴锁紧机构能够调节探针固定杆同微纳操纵器的细调操纵器的传动杆之间的角度。5.如权利要求4所述的转移装置，其特征在于，所述尖头探针的尖端直径小于0.5微米，通过尖端的静电吸附效应在单个微纳米结构转移过程中粘接所转移的单个微纳米结构。6.如权利要求1所述的转移装置，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，徐军，刘亚琪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11