一种集成化的片上裂结系统及其测量方法

本发明涉及片上裂结系统领域，具体指有一种集成化的片上裂结系统及其测量方法。

背景技术：

1、动态结技术通过运动电机和压电陶瓷在水平或垂直方向上控制电极对的开合，使两电极不断的逼近和远离。当电极间距离匹配分子长度时，分子会在锚定基团的作用下锚定到金属电极上。基于金属电极的反复开合，可以不断地动态构筑金属/分子/金属结。同时裂结过程中以一个非常高频的采样速度来记录回路电流信号，随后采用统计的方法从中筛选得到分子成结的数据。动态测量技术可以快速收集大量的实验数据，样品加工精度要求低。但始终需要外置的运动部件以实现裂结过程，在一定程度上限制了单分子结的灵活性，并且测试仪器结构复杂并且难以实现大规模阵列化集成。

2、静态结的构筑原理是直接制备出与目标分子长度相匹配的固定纳米间隙电极对，由于单个分子的长度大都小于5nm，因此需要借助具有极高精度的微纳加工手段来完成。传统的静态结制备方法主要依托于较为成熟的微加工手段如光刻，电子束光刻(ebl)和聚焦离子束(fib)光刻等，基于此人们开发了纳米孔，交叉纳米线等分子结制备方法。此外，为了进一步精确制备纳米间隙，人们还开发了电化学沉积，电迁移，液态金属自组装等方法。总的来说，静态结会制备出一个固定的非常狭小的纳米间隙来捕获单个分子，实现对单个分子的稳定表征和调控。静态结的优势在于可批量制备并且器件结构更接近集成电路易于实现集成化、微型化。但静态结方法也存在样品加工精度要求高，制备成功率低，分子结稳定性差等问题。

3、随着分子电子学的不断发展，人们对单分子电学性质表征技术提出了更高要求。现有技术并未结合动态结和静态结的优势，无法在一个较小尺寸的芯片上实现动态裂结过程。

4、针对上述的现有技术存在的问题设计一种集成化的片上裂结系统及其测量方法是本发明研究的目的。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种集成化的片上裂结系统及其测量方法，能够有效解决上述现有技术存在的至少一个问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种集成化的片上裂结系统，包括：

4、固定电极，所述固定电极包含连接部，以及连接于所述连接部的第一梳齿部；

5、移动电极，所述移动电极包含第二梳齿部和第一针尖，所述第二梳齿部穿插设置于所述第一梳齿部且所述第一梳齿部与所述第二梳齿部间隙设置，所述第一针尖跟随所述第二梳齿部一同移动；

6、检测电极，包含第二针尖，所述第一针尖和所述第二针尖间隙设置，且所述第一针尖跟随所述第二梳齿部移动后可接触所述第二针尖。

7、进一步地，所述移动电极包括弹性支撑部，所述弹性支撑部连接于所述第二梳齿部和/或所述第一针尖，用于对所述第二梳齿部和/或所述第一针尖提供复位的运动趋势。

8、进一步地，包括基底，所述固定电极和所述检测电极附着于所述基底，弹性支撑部的末端连接有肩部，所述移动电极的弹性支撑部、第二梳齿部和第一针尖通过被所述肩部抬起并悬空于所述基底。

9、进一步地，包括若干接触电极，分别连接于所述固定电极和/或所述移动电极和/或所述检测电极，用于连接外部电路，其中一个肩部作为接触电极。

10、进一步地，所述固定电极和所述移动电极用于连接外部电源，从而在所述第一梳齿部和所述第二梳齿部之间产生静电力，驱动所述第二梳齿部朝向所述检测电极移动，使所述第一针尖和所述第二针尖接触。

11、进一步地，所述片上裂结系统通过以下步骤制得：

12、在绝缘体上硅片表面通过电子束蒸发薄膜沉积系统蒸镀金属膜；

13、在金属膜表面涂覆光刻胶，通过掩膜模版对所述光刻胶进行光刻、显影，在光刻胶形成和所述片上裂结系统对应的图案，所述片上裂结系统对应的图案包括固定电极图案、移动电极图案、检测电极图案；

14、以形成有所述图案的光刻胶作为掩膜进行离子束刻蚀，刻蚀并在所述金属膜形成和所述片上裂结系统对应的图案；

15、以形成有所述图案的光刻胶、金属膜作为掩膜进行深反应离子束刻蚀，在所述绝缘体上硅片的器件层硅形成和所述片上裂结系统对应的图案；

16、通过气相氢氟酸系统腐蚀所述绝缘体上硅片的牺牲层，使所述移动电极悬空，得到所述片上裂结系统。

17、进一步地，所述移动电极的第二梳齿部、第一针尖、弹性支撑部的宽度窄于肩部的宽度，所述通过气相氢氟酸系统腐蚀所述绝缘体上硅片的牺牲层的反应条件为：

18、反应时间控制在22～28min。

19、进一步提供一种片上裂结系统的测量方法，基于所述的一种集成化的片上裂结系统，包括以下步骤：

20、将所述片上裂结系统倒扣于盛有待测分子溶液的容器上，使待测分子组装到所述片上裂结系统上；

21、将组装有待测分子的所述片上裂结系统放置于平台，在所述固定电极接入驱动电压源，控制驱动电压源循环增大再减小，从而驱动所述第一针尖接触或断开所述第二针尖；

22、驱动所述第一针尖接触或断开所述第二针尖的过程中，统计所述移动电极和所述检测检测电极之间的电导变化，计算待测分子的电导。

23、进一步地，所述控制驱动电压源循环增大再减小包括：循环执行的以下步骤：

24、控制驱动电压增大，当所述移动电极和所述检测电极之间的电导达到预设上限电导，停止驱动电压增大；

25、控制驱动电压减小，当所述移动电极和所述检测电极之间的电导达到预设下限电导，停止驱动电压减小。

26、进一步地，所述预设上限电导为102g0～103g0，所述预设下限电导为10－6g0～10－9g0，其中，g0为量子电导。

27、因此，本发明提供以下的效果和/或优点：

28、本申请结合了动态裂结构建技术和静态裂结构建技术，借助mems中的执行技术，来替换动态裂结技术中的压电陶瓷和运动电机，从而实现在集成芯片上进行分子电学性质的测量，以探索构筑分子电子器件的更多可能性。本申请用芯片上自带的静电驱动模块替代了电机和压电陶瓷，实现了集成化，批量化，小型化。

29、本申请利用静电力推动第二梳齿部运动，利用弹性支撑部对第二梳齿部回拉，从而实现往复运动用于构建分子结，，省略了构建传统动态分子结中不可缺少的电机、压电陶瓷，实现了小尺寸的片上裂结系统。

30、本申请提供/制备的片上裂结系统是纳米尺度的mems－bj芯片，围绕该芯片成功测得了标准分子的电学信息，证明本申请的系统和方法的可行性。

31、应当明白，本发明的上文的概述和下面的详细说明是示例性和解释性的，并且意在提供对如要求保护的本发明的进一步的解释。

技术特征：

1.一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：所述移动电极包括弹性支撑部，所述弹性支撑部连接于所述第二梳齿部和/或所述第一针尖，用于对所述第二梳齿部和/或所述第一针尖提供复位的运动趋势。

3.根据权利要求2所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：包括基底，所述固定电极和所述检测电极附着于所述基底，弹性支撑部的末端连接有肩部，所述移动电极的弹性支撑部、第二梳齿部和第一针尖通过被所述肩部抬起并悬空于所述基底。

4.根据权利要求3所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：包括若干接触电极，分别连接于所述固定电极和/或所述移动电极和/或所述检测电极，用于连接外部电路，其中一个肩部作为接触电极。

5.根据权利要求1所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：所述固定电极和所述移动电极用于连接外部电源，从而在所述第一梳齿部和所述第二梳齿部之间产生静电力，驱动所述第二梳齿部朝向所述检测电极移动，使所述第一针尖和所述第二针尖接触。

6.根据权利要求1－5任意一条所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：所述片上裂结系统通过以下步骤制得：

7.根据权利要求6所述的一种集成化的片上裂结系统，其特征在于：所述移动电极的第二梳齿部、第一针尖、弹性支撑部的宽度窄于肩部的宽度，所述通过气相氢氟酸系统腐蚀所述绝缘体上硅片的牺牲层的反应条件为：

8.一种片上裂结系统的测量方法，其特征在于：基于权利要求1－7任意一条所述的一种集成化的片上裂结系统，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种片上裂结系统的测量方法，其特征在于：所述控制驱动驱动电压源循环增大再减小包括：循环执行的以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种片上裂结系统的测量方法，其特征在于：所述预设上限电导为102g0～103g0，所述预设下限电导为10－6g0～10－9g0，其中，g0为量子电导。

技术总结本发明涉及一种集成化的片上裂结系统及其测量方法，包括：固定电极，所述固定电极包含连接部，以及连接于所述连接部的第一梳齿部；移动电极，所述移动电极包含第二梳齿部和第一针尖，所述第二梳齿部穿插设置于所述第一梳齿部且所述第一梳齿部与所述第二梳齿部间隙设置，所述第一针尖跟随所述第二梳齿部一同移动；检测电极，包含第二针尖，所述第一针尖和所述第二针尖间隙设置，且所述第一针尖跟随所述第二梳齿部移动后可接触所述第二针尖。本申请结合了动态裂结构建技术和静态裂结构建技术，借助MEMS中的执行技术，来替换动态裂结技术中的压电陶瓷和运动电机，从而实现在集成芯片上进行分子电学性质的测量。技术研发人员：刘俊扬,韩天阳,赵艺,刘文清,洪文晶受保护的技术使用者：厦门大学技术研发日：技术公布日：2024/1/12