一种电场辅助原子力显微镜纳米刻蚀方法与流程

本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种通过在原子力显微镜(afm)探针和基底之间施加电流，并使探针针尖在基底表面运动，通过焦耳热形成纳米刻痕，从而实现纳米刻蚀、裁剪加工的方法。

背景技术：

纳米器件是由纳米材料构成的电子器件，比如各种气体传感器，生物传感器，场效应晶体管等等。纳米器件具有优异的性能，比如库仑阻塞效应等。但是目前纳米器件还没有实现广泛的应用。这是因为纳米器件在加工制造方面还存在各种问题。比如纳米焊接、纳米装配、纳米裁剪等问题。其中纳米裁剪是根据需要，将纳米材料切割成特定的尺寸和形状。目前可以采用金刚石探针，通过机械力的作用，对纳米基底进行行刻划或对纳米材料进行切割。然而金刚石探针机械力切割具有存在以下问题。

1、金刚石探针价格昂贵。

2、金刚石切割依靠机械力的作用，切割过程中会造成已装配好的纳米材料位置移动。

3、金刚石刻划的形状较为单一。由于金刚石探针带有细长的悬臂梁结构，因此适宜进行沿金刚石探针悬臂梁轴线方向的刻划；侧向刻划时，悬臂梁易发生扭转，影响刻划效果。因此金刚石刻划多以直线为主。

因此设计一种灵活、简便的纳米刻蚀加工方法，对纳米器件的加工制造具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提出一种通过施加电流实现afm纳米沉积的方法，即通过向afm针尖和基底施加电流并控制电流大小以及电流作用时间，使afm探针针尖与基底之间形成焦耳热，引起基底或纳米材料的融化，从而实现纳米刻划或纳米切割的加工效果。

本发明技术方案为：

由于本发明中的方法利用电流的作用实现加工，因此需要使用导电探针和导电样品。利用原子力显微镜的纳米级的探针运动控制功能，使探针与样品保持轻微接触，此时在样品和针尖之间形成较大的接触电阻。在样品和探针之间施加一定的电流，根据焦耳定律，将在样品和探针的接触面形成较大的热功率。当功率足够大时，将引起样品表面的融化，从而形成纳米刻痕。通过控制电流的大小和电流作用的时间，可以调节刻痕的宽度和深度。如果在加工中保持探针沿特定的轨迹运动，可以得到复杂的纳米结构。

本发明具有如下优点。

1、加工经济性好。本发明中的加工方法只需使用普通的导电原子力探针，价格便宜。

2、各向一致性好。加工中探针和样品之间的作用力很小，悬臂梁的形变很小，因此在各个方向上的加工效果相同。

3、加工灵活性好。加工中可以随时通过调节电流的大小来改变刻痕的尺寸，加工方法灵活。

附图说明

图1为刻划加工系统示意图。

图2为纳米点刻划加工。

图3为纳米线刻划加工。

其中1是afm导电探针；2是样品；3是导电胶；4是金属样品台；5是可编程电流源。

具体实施方式

通过原子力显微镜本身提供的电源接口，将可编程电流源5施加到样品2和afm导电探针1上。原则上，电流方向不影响加工效果。但是，考虑到尖端接阳极时，放电电压更低。因此afm探针接阳极，样品接阴极。

通过原子力显微镜的扫描功能，扫描样品形貌，选定加工位置。

在可编程电流源5上设置电流参数。包括电流大小、持续时间、电流波形等。

设置afm工作在接触模式，使afm探针与样品接触。并通过deflectionsetpoint参数控制探针与样品的接触力。

规划探针的运动轨迹，并设定探针运动速度，使探针按照预先设定的路径运动。

启动探针运动，并同时启动电源，开始刻蚀加工。

加工采用的是电流源，因此加工过程中电流为恒定值，电压为可变值。然而电压的变化应在一定范围之内。如果电压过高，比如超过30v，可能会对仪器设备造成威胁；如果电压过低，尽管电流达到标准，但产生的功率较小，不足以使样品融化。引起电压波动的主要原因是针尖与样品间接触电阻的变化。针尖和样品间的压力越大，针尖和样品接触越紧密，接触电阻越小；相反，针尖和样品间的压力越小，接触电阻越大，直到针尖与样品完全脱离，电阻达到无穷大。因此加工中合理的设定defectionsetpoint非常关键。

技术特征：技术总结本发明公开一种通过施加电流实现原子力显微镜(AFM)纳米刻蚀的方法。通过向AFM针尖和基底施加一定电流并控制电流的大小，由于针尖和样品之间存在较大的接触电阻，因此产生一定的焦耳热，在基底上形成刻蚀。该方法可用于加工纳米沟痕、裁剪纳米材料等操作。技术研发人员：刘增磊;高爱莲受保护的技术使用者：刘增磊技术研发日：2019.04.16技术公布日：2019.08.27