【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纳米电极，具体涉及一种纳米级垂直电极阵列、多通道纳米阵列电极及二者的制备方法。
技术介绍
1、纳米电极，即至少一个维度上尺度在纳米级(1-100纳米)的电极称为纳米电极。随着微纳米制造技术的发展，微电极由于具有高电流密度和多记录点、体积小、细胞损伤小等优点，有望逐步应用于电化学和生物细胞、神经工程系统的检测。
2、纳米级垂直电极阵列是单细胞电生理研究的重要实验工具，现有的膜片钳受限于加工工艺，难以通过传统工艺在缩小尺寸后进行简单类比加工；而基于原子力显微镜的膜片钳型探针，一般也只能配备单对电极。在神经元单细胞及突触上应用多根电极可以在产生电刺激的同时记录神经元的响应，可以在单一神经元与多个突触间进行信号映射，可以针对细胞间及神经元与突触间的神经信号进行解码等等，是脑科学研究、脑机接口技术以及基于外周神经信号的智能假肢的控制及反馈的关键通用零部件，在民生、康复等诸多方面有广阔的应用及市场前景。在民生及康复方面，对残疾人康复设备的研究将促进社会和谐发展，带来巨大的社会效益和经济效益。
3、近年来，随着神经形态纳米器件、离子电池、记忆电阻的发展，作为一种极为重要和独特的前沿技术工具，透射电子显微镜(tem)中的纳米机器人操作手也成为离子迁移器件原位原型设计和表征的有力工具，为新材料、人工智能硬件、新能源器件、脑机接口、量子器件等的开发提供了离子迁移机制、电极和电解质选择、充放电效率提升、失效机制分析等重要的技术手段和科学依据。透射电子显微镜内的纳米机器人操作已经成功地用于纳米材料和结构的操作、制造
4、tem具有亚纳米到亚原子级的成像分辨率(经球差校正的tem的分辨率高达约60-70pm)，不依赖于扫描的完全实时成像能力，且对样品的导电性没有要求，同时，tem通常还配备元素级的材料表征装置，使得它特别适合于在原子/离子结构-物理/化学性质相关方面的高精度纳米操作。然而，tem腔体的小尺寸(市售两种主要的tem其腔体直径只有10毫米和15毫米左右)，对超薄样品厚度(＜100纳米)的要求也对开发用于tem的纳米机器人操纵技术构成了重大挑战。
5、电子束聚焦沉积技术是随着电子显微镜的应用而逐渐发展起来的，最初是在真空环境中对试样进行观察的过程中注意到的，其后被归结为电子束照射下残留泵油被高能电子束分解后对试样的表面污染。聚焦电子束通常是指在高真空环境下，电磁透镜通过对电子运动轨迹进行偏转而形成聚焦的电子束。聚焦电子束广泛应用于扫描电子显微镜(sem)和透射电子显微镜(tem)的高分辨率成像。电子束是在几十伏到几百千伏的加速电压下，从具有高真空(×10-7pa)的腔室中引出的，经电磁线圈反复聚焦处理，可在材料表面形成极为精细的电子束斑，束斑的大小一般在几纳米到几十纳米之间。商用扫描电子显微镜中的电子枪具有较高的集成度，主要由场发射电子枪、加速电压、工作距离、电子束斑大小、孔径大小等因素调节。
6、纳米操作机器人主要通过其末端执行器的表面能场操作被操作物体，表面能场作用距离近导致纳米操作机器人只能直接抓取放置被操作物体以实现电极的装配加工，每个电极需逐个制备，其效率低，耗时长，无法满足现代产业需求。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种纳米级垂直电极阵列、多通道纳米阵列电极及二者的制备方法，以提升纳米电极的制备速率和制备精度。
2、为达到上述目的，本专利技术第一方面提供一种基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其基于样品仓中安装有纳米操作机器人的扫描电子显微镜和/或透射电子显微镜，使前驱金属材料在近场和/或远场的电磁场下直写沉积形成所述纳米级垂直电极阵列；
3、其中，所述纳米操作机器人搭载多个末端执行器；近场直写时，所述末端执行器根据透射电子显微镜或扫描电子显微镜的电子束成像提供视觉伺服；远场直写时，所述末端执行器根据扫描电子显微镜的电子束成像提供视觉伺服。
4、针对现有纳米操作机器人的不足，本专利技术的纳米级垂直电极阵列的制备方法采用装备了高能电磁场型末端执行器的纳米机器人，使前驱金属材料在高能电磁场的调控下离子化并发射或迁移至样品端基板，并结合位置伺服控制形成纳米级垂直电极阵列，提升电极的制备精度。此外，本专利技术的电极阵列制备方式以直写替代组装，并可搭载多个末端执行器，实现多个位置的并行加工，大大提升纳米电极的制备效率。
5、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，优选地，近场直写沉积时，使所述末端执行器搭载纳米金属离子源，所述纳米操作机器人经视觉伺服将所述纳米金属离子源调整至样品端基板的待加工位置，所述纳米金属离子源在近场高能电磁场的作用下沉积至所述样品端基板，形成所述纳米级垂直电极阵列。
6、本专利技术的上述采用近场直写沉积的制备方法，以近场离子及电子发生器取代传统远场发生器，将在数伏电压下产生远场需要数十千伏才能产生的场强，大大提高离子化效率并降低其生成成本；同时，本专利技术的近场离子化提供了一种通用的金属原子离子化方法，突破传统聚焦离子束(fib)仅限于镓离子等数种前驱材料的困境。以金属粒子作为纳米金属离子源实现3d直写，将3d金属结构增材制造质量及尺度拓展到阿克级(10-18g)及纳米级，可冲击少量原子甚或单原子；单离子在纳米场中的操控能力亦为纳米结构局部掺杂带来全新的可能。
7、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，近场直写沉积时，优选地，所述近场电磁场由在纳米金属离子源与样品端基板之间施加偏置电压形成，近场工作电压为所述偏置电压，所述近场工作电压为1-50v，更优选为10v。
8、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，近场直写沉积时，优选地，近场工作距离为纳米金属离子源与样品端基板之间的距离，所述近场工作距离为1-30nm，更优选为10nm。
9、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，近场直写沉积时，优选地，纳米金属离子源尖端曲率半径＜20nm，以实现电场的集中与汇聚。
10、对于近场的直写沉积方式，其能场由纳米金属离子源与电极间工作电压、工作距离以及离子源尖端形貌决定，改变上述参数可对所直写沉积电极的锥度、尖端曲率半径、尖端原子结构、沉积速率等进行调整。
11、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，近场直写沉积时，优选地，所述纳米金属离子源的材料选自银纳米线、金纳米线或钨纳米线。本专利技术的纳米金属离子源指可在激光、强电场、电子束辐照等作用下实现离子化并对外供应金属离子的金属纳米材料。
12、上述基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法中，优选地，远场直写沉积时，所述纳米操作机器人搭载沉积前驱物质，所述末端执行器搭载样品端基板，所述纳米操本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，该基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法基于样品仓中安装有纳米操作机器人的扫描电子显微镜和/或透射电子显微镜，使前驱金属材料在近场和/或远场的电磁场下直写沉积形成所述纳米级垂直电极阵列；
2.根据权利要求1所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，近场直写沉积时，使所述末端执行器搭载纳米金属离子源，所述纳米操作机器人经视觉伺服将所述纳米金属离子源调整至样品端基板的待加工位置，所述纳米金属离子源在近场高能电磁场的作用下沉积至所述样品端基板，形成所述纳米级垂直电极阵列。
3.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述近场电磁场由在纳米金属离子源与样品端基板之间施加偏置电压形成，近场工作电压为所述偏置电压，所述近场工作电压为1-50V，优选为10V。
4.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，近场工作距离为纳米金属离子源与样品端基板之间的距离，所述近场工作距离为1-30nm，优选为10nm。
5.根据
6.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述纳米金属离子源的材料选自银纳米线、金纳米线或钨纳米线。
7.根据权利要求1所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，远场直写沉积时，所述纳米操作机器人搭载沉积前驱物质，所述末端执行器搭载样品端基板，所述纳米操作机器人根据扫描电子显微镜的成像系统视觉伺服调整样品端基板的位置，并与扫描电子显微镜的电子源、电磁透镜系统联合作用使提供远场电磁场的扫描电子显微镜的电子束聚焦于所述样品端基板的待加工位置，形成局部电场，所述沉积前驱物质在远场电磁场的作用下沉积至电子束聚焦位置，在沉积过程中分解出金属离子，并还原形成所述纳米级垂直电极阵列。
8.根据权利要求7所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述沉积前驱物质与样品端基板的距离为0.2-3cm，优选为1cm。
9.根据权利要求7所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述远场电磁场由扫描电子显微镜的电子束系统与电磁透镜系统形成；远场工作电压为扫描电子显微镜电子束加速电压，所述远场工作电压为1-20kV；远场工作电流为扫描电子显微镜电子束电流，所述远场工作电流为10pA-50nA。
10.根据权利要求7所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，远场工作距离为样品端基板与电子束极靴之间的距离，所述远场工作距离为1-10mm。
11.根据权利要求1所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，近场直写沉积与远场直写沉积组合时，所述制备方法包括先以远场直写沉积加工出纳米垂直电极，然后以近场直写沉积对所制备的电极表面形貌及晶体学结构进行可控加工。
12.一种由权利要求1-11任一项所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法得到的纳米级垂直电极阵列。
13.根据权利要求12所述的纳米级垂直电极阵列，其中，每个垂直电极包括电极本体和电极尖端，所述电极本体的长径比＞20，电极直径为20nm-10μm，电极尖端曲率半径小于5nm，所述垂直电极中部直径＜50nm。
14.一种多通道纳米阵列电极，其包括依次连接的三维电极区、终端连接导线和外部引出电路；所述三维电极区包括电极导线、电极衬底和权利要求12或13所述的纳米级垂直电极阵列，所述电极导线一段通过电极衬底连接所述纳米级垂直电极阵列，另一端连接所述终端连接导线。
15.根据权利要求14所述的多通道纳米阵列电极，其中，所述外部引出电路包括引出电极和连接电极，所述引出电极通过所述连接电极连接所述终端连接导线。
16.根据权利要求14所述的多通道纳米阵列电极，其中，所述垂直电极阵列均匀排列，电极间距为100-500nm；所述电极导线的线宽＜100nm；所述终端连接导线的线宽＜100nm。
17.一种权利要求14-16任一项所述的多通道纳米阵列电极的制备方法，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，该基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法基于样品仓中安装有纳米操作机器人的扫描电子显微镜和/或透射电子显微镜，使前驱金属材料在近场和/或远场的电磁场下直写沉积形成所述纳米级垂直电极阵列；
2.根据权利要求1所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，近场直写沉积时，使所述末端执行器搭载纳米金属离子源，所述纳米操作机器人经视觉伺服将所述纳米金属离子源调整至样品端基板的待加工位置，所述纳米金属离子源在近场高能电磁场的作用下沉积至所述样品端基板，形成所述纳米级垂直电极阵列。
3.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述近场电磁场由在纳米金属离子源与样品端基板之间施加偏置电压形成，近场工作电压为所述偏置电压，所述近场工作电压为1-50v，优选为10v。
4.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，近场工作距离为纳米金属离子源与样品端基板之间的距离，所述近场工作距离为1-30nm，优选为10nm。
5.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，纳米金属离子源的尖端曲率半径＜20nm。
6.根据权利要求2所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所述纳米金属离子源的材料选自银纳米线、金纳米线或钨纳米线。
7.根据权利要求1所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，远场直写沉积时，所述纳米操作机器人搭载沉积前驱物质，所述末端执行器搭载样品端基板，所述纳米操作机器人根据扫描电子显微镜的成像系统视觉伺服调整样品端基板的位置，并与扫描电子显微镜的电子源、电磁透镜系统联合作用使提供远场电磁场的扫描电子显微镜的电子束聚焦于所述样品端基板的待加工位置，形成局部电场，所述沉积前驱物质在远场电磁场的作用下沉积至电子束聚焦位置，在沉积过程中分解出金属离子，并还原形成所述纳米级垂直电极阵列。
8.根据权利要求7所述的基于能场控制的纳米级垂直电极阵列的制备方法，其中，所...
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