高成功率的碳纳米管单分子结制备方法技术

本发明专利技术公开了一种精密拉伸碳纳米管的方法，并且利用碳纳米管为电极高效构建单分子结的方法和工艺流程。本发明专利技术是利用微纳加工相关技术和机械可控断裂结技术实现的。通过一系列微纳加工流程制作出稳固的单壁碳纳米管芯片，然后把单壁碳纳米管芯片置于三点弯曲装置上，不断弯曲芯片基板会使得单壁碳纳米管断裂，形成间隙可控的电极对，最后通过在间隙内添加有机分子来形成单壁碳纳米管单分子结。由于该方法可以精确调控间隙大小来匹配各种分子长度，所以可以实现单壁碳纳米管分子结的高产量生产，为实现高性能的分子器件奠定了基础，对于分子电子学的发展有着较高的参考价值。

Method for preparing carbon nanotube single molecule junction with high success rate

The invention discloses a method for accurately drawing carbon nano tubes, and a method and a process flow for efficiently constructing a single molecular junction by using carbon nanotubes as electrodes. The invention relates to a method for realizing the application of the technology of micro nano machining and mechanical controllable fracture junction. Through a series of micro nano machining process to produce single wall carbon nanotube chip solid, then the three point bending device of single wall carbon nanotube chip on chip substrate, continuously bending the single-walled carbon nanotube electrode gap formation fracture, controllable, finally by adding organic molecules in the gap to the formation of single-walled carbon nanotubes single molecular junctions. Because the method can accurately control the gap size to match the various molecular length, so we can achieve the single wall carbon nanotube molecular junction for high yield production, laid the foundation for the realization of molecular devices with high performance, with a high reference value for the development of molecular electronics.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种以单壁碳纳米管为电极的单分子结，涉及分子电子学、纳米材料、化学等诸多领域。
技术介绍
在电子器件微型化的潮流中，分子电子学在近些年得到迅猛发展，各种分子结技术应运而生。而且相对于多分子结来说，单分子结更小但又不失原有特性，所以单分子结得到了更大的发展。到目前为止，构建单分子结的技术有很多，其中包括：电迁移法、电化学沉积法、表面扩张介导沉积法、扫描探针显微镜法、机械可控断裂结法等技术。相对于其他技术来说，机械可控断裂结法表现出了诸多优势，例如：操作简便，可精确控制间隙，稳定性较高等优势。单分子结就是将单个有机分子嵌入两个纳米电极之间形成电极-单分子-电极结，而构建单分子结的关键就是使电极与分子之间通过共价键来稳定高效地连接起来。通常，单分子结的电极主要是由金属来充当，形成金属-单分子-金属结。与金属连接的硫醇分子容易被氧化聚集，此时金属与分子容易形成非欧姆接触。本专利技术中使用的单壁碳纳米管作为电极，则完全避免了上述问题。而且单壁碳纳米管本身就是一个大分子，更易于与分子连接，同时也展现了较好的导电性。由此可知，单壁碳纳米管是一个比较适合的电极材料。通常，一些方法即使使用单壁碳纳米管做电极来制备单分子结，其成功率也较低，消耗了大量的人力、物力和财力，而且结果不一定能实现。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题是提供一种实现可高效率的单壁碳纳米管单分子结。通过精确地控制电极间距离来高效地连接单分子，最终实现高产量地制备单壁碳纳米管单分子结。本专利技术的目的是这样实现的：一种高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，由弹性钢片、绝缘层、支撑电极对、单壁碳纳米管、金覆盖层、三点弯曲装置组成，其特征在于：弹性钢片可用于放置各种薄膜层，以及利于弯曲；绝缘层用于绝缘上下两层薄膜，以及平整表面；支撑电极对和金覆盖层可用于固定单壁碳纳米管；绝缘层中间部分有一个凹槽，可提供悬空的纳米桥；三点弯曲装置可用于弯曲芯片，精确控制纳米间隙大小。支撑电极对和金覆盖层都是两层金属，可以固定单壁碳纳米管。其中为了单壁碳纳米管的连续弯曲和固定，上层金覆盖层要厚于支撑电极对。绝缘层中间部分使用反应离子刻蚀技术来刻蚀一个凹槽，有利于拉断单壁碳纳米管，以及提供一个悬空的纳米桥。本专利技术的优点在于：利用一系列的微纳加工工艺把单壁碳纳米管固定在两金属层中，制作成可弯曲的芯片。三点弯曲装置具有较小的衰减因子，可以在皮米精度上调控纳米间隙，通过精确控制纳米间隙，使分子能高效地连接到电极两端，最终实现高产量制作的单壁碳纳米管单分子结；制作成的单壁碳纳米管单分子结相对于金属单分子结来说，展现了较好的稳定性和导电性。附图说明为了使本专利技术的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述：图1为弹性钢片(1)示意图；图2为在图1基础上，旋涂一层绝缘层(2)；图3为在图2基础上，利用标准光刻技术制作支撑电极对(3)；图4为在图3基础上，利用反应离子刻蚀技术在绝缘层上刻蚀一个凹槽(4)；图5为在图4基础上，使用交流电泳技术使单壁碳纳米管(5)准直分布在支撑电极对平面上方；图6为在图5基础上，在支撑电极对上方，再次利用光刻技术，制作出一层金属电极(6)，此层电极将碳纳米管固定在支撑电极上方。；图7为把制作成的单壁碳纳米管芯片置于三点弯曲装置上；图8为三点弯曲装置弯曲单壁碳纳米管芯片示意图；图9为单壁碳纳米管断裂示意图；图10为单壁碳纳米管单分子结(7)正面示意图；图11为单壁碳纳米管单分子结(7)全景示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式作详细说明。在100微米左右厚度的弹性钢片(1)(图1)上旋涂一层聚酰亚胺(2)来充当隔离层(图2)，大约2微米厚；利用标准光刻技术在绝缘层上方制作出两层平行相对放置的金层(3)来充当支撑电极对(图3)；使用反应离子刻蚀技术在绝缘层上刻蚀，获得悬空的凹槽(4)作纳米桥(图4)；使用交流电泳技术把100-500微米左右长的单壁碳纳米管(5)准直放置在平面的中间(图5)；利用掩膜在支撑电极对的正上方蒸镀上一层金(6)，使单壁碳纳米管固定在两层金中间(图6)；将以上制作的整个芯片放置在三点弯曲装置之上(图7)；通过步进电机和压电装置在下方驱动，使芯片连续弯曲(图8)；继续弯曲芯片，在芯片弯曲到一定程度时单壁碳纳米管在悬空的凹槽上方断裂(图9)，此时可以测量在纳米管断裂过程中的电学特性；单壁碳纳米管断裂的两端会被自动羧基化，把末端基团为氨基的有机分子置于断裂间隙中，通过精确调控间隙大小，分子两端和断裂的碳纳米管两端会通过酰胺共价键稳固连接，形成单壁碳纳米管单分子结(7)(图10，图11)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，单分子结由弹性钢片、绝缘层、支撑电极对、单壁碳纳米管、金覆盖层、三点弯曲装置组成，其特征在于：弹性钢片可用于放置各种薄膜层，以及利于弯曲；绝缘层用于绝缘上下两层薄膜，以及平整表面；支撑电极对和金覆盖层可用于固定单壁碳纳米管；绝缘层中间部分有一个凹槽，可提供悬空的纳米桥；三点弯曲装置可用于弯曲芯片，精确控制纳米间隙大小。

【技术特征摘要】
1.一种高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，单分子结由弹性钢片、绝缘层、支撑电极对、单壁碳纳米管、金覆盖层、三点弯曲装置组成，其特征在于：弹性钢片可用于放置各种薄膜层，以及利于弯曲；绝缘层用于绝缘上下两层薄膜，以及平整表面；支撑电极对和金覆盖层可用于固定单壁碳纳米管；绝缘层中间部分有一个凹槽，可提供悬空的纳米桥；三点弯曲装置可用于弯曲芯片，精确控制纳米间隙大小。2.根据权利要求1所述的高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，其特征在于所用的弹性钢片可以作为基底，在其上可镀多种薄膜，可以承受较大程度的弯曲而不变形。3.根据权利要求1所述的高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，其特征在于绝缘层可旋涂到弹性钢片上，可以较好地充当隔离的作用，而且还可以使表面平整。4.根据权利要求1所述的高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，其特征在于支撑电极对和金覆盖层都是两层金属，可以固定单壁碳纳米管，其中为了单壁碳纳米管的连续弯曲和固定，上层金覆盖层要厚于支撑电极对。5.根据权利要求1所述的高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，其特征在于绝缘层中间部分使用反应离子刻蚀技术来刻蚀一个凹槽，有利于拉断单壁碳纳米管，以及提供一个悬空的纳米桥。6.根据权利要求1所述的高成功率的碳纳米管单分子结制备方法，其特征在于单分子结中使用单壁碳纳米管作为电极材料，有利于电极与分子的连接，使分子结展现出良好的导电性。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：向东，王璐，王玲，赵智凯，梅婷婷，张天，倪立发，张伟强，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12