[发明专利]一种微纳结构制造装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳制品成型装置及其成型方法，属于微纳器件成型领域。

背景技术

随着纳米技术的发展，微纳米系统、微纳米尺度零件及相关产品的需求

越来越多。无论是微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)零件的加工，还是微纳米功能结构的构造，都离不开微纳结构制造加工技术，随着前沿技术的不断突破，新的加工方法的不断产生和改进，极限制造技术必然成为现代加工技术的重点发展方向。

目前微结构加工技术主要包括LIGA技术、三束（电子束、离子束、光子束）微加工技术、微细电火花加工技术、分子自组装、纳米微压印、生物制造技术、微小机床加工技术及扫描探针显微技术等。其中除了双光子加工技术、快速成型技术(RPM)及超精密微型机床的微加工技术外，其它技术只能用于二维或准三维微结构加工，但它们都存在纵向加工尺度精确控制能力差的问题；双光子加工技术所用的设备昂贵，操作复杂，加工精度有限，在微纳米结构加工应用中，还有待进一步研究；RPM对使用的材料有一定的限制，另外它采用的是能量束加工方法，限制了其加工表面质量的提高；而微型高精度超精密机床的微加工技术，虽然不受材料的限制，但它受到机床制造精度及刀具尺寸和精度的限制，因此目前这种方法在加工三维结构的零件尺度方面，仍然处在微米到亚微米量级，不能达到纳米量级。

背景技术

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发明内容

本发明提出了一种微纳结构制造装置及方法，该方法利用电化学沉积原理，通过对还原离子量的控制实现微量原子团或者原子在阴极平台的沉积，特别是单电子晶体管器件的使用，可实现单个金属离子的还原和沉积，通过使用原子笔及微动工作台，保证了原子尺度上复杂三维结构的精确成型。

本发明一种微纳结构制造装置，主要由原子笔、镀液、原子笔架、原子力显微检测系统、阴极平台、微动工作台、微电量供电电源组成，其中装有镀液的原子笔固定在原子笔架上，用以支撑原子笔，原子笔架同原子力显微检测系统固定连接成一体，阴极平台和微动工作台固定连接，阴极平台和微动工作台之间用绝缘材料隔开，原子笔芯和微电量供电电源的正极连接，阴极平台和微电量供电电源的负极连接。

本发明一种微纳结构制造装置，其中原子笔作为电化学作用中的阳极，通过连接微电量供电电源的正极，为原子笔中的镀液阳离子提供单个或多个电子，原子笔笔筒可使用石墨电极或其它导电材料，根据沉积量的不同可以在原子笔笔筒端部加工微孔，也可以在笔筒上安装微细金属针头，也可以在笔筒的微孔端组装碳纳米管，碳纳米管要求末端开口，也可以用超细碳纤维、超细金属导线或电导性的原子探针作为原子笔笔芯；特别的，可以在笔筒一端安装碳纳米管阵列，实现微纳米三维结构的批量生产或者重复结构件的快速成型。

本发明一种微纳结构制造装置，其中镀液可以是金属或者金属合金的碱性或者酸性溶液，一般使用铜、镍、钴、铝、铂、锌、金、银、镍钴合金、镍钨合金等的酸性或碱性溶液。

本发明一种微纳结构制造装置，其中阴极平台连接微电量供电电源的负极，并安装在微动工作台上，阴极平台用于接收原子笔上被还原的原子或原子团，是三维微纳成型的基体材料，阴极平台可使用硅板或其它精细导电材料，其表面粗糙度要求达到亚纳米级。

本发明一种微纳结构制造装置，其中微电量供电电源为单电子晶体管及其它分子器件组成的集成电路，用于实现微电量的提供以及对单个电子的控制，为原子笔和阴极平台的电化学还原体系提供微电量。

本发明一种微纳结构制造装置，其中微动工作台用于带动阴极平台实现纳米到亚纳米级的微动，实现三维造型。微动工作台可以是三维微动工作台，也可以是直线微动单元模块的组合平台，微动的实现可以是精密压电元件或是气浮直线导轨或其它能实现微纳米以及亚纳米精度的运动平台。

本发明一种微纳结构制造装置，为了封闭加工环境的实现，在整个装置外部加装密封腔体，腔体外壁包覆电磁屏蔽材料，为加工环境隔离外部电磁干扰，为便于观察电磁屏蔽材料可以为透明的，对于原子堆积加工精度易受到空气影响的情况下，该腔体可以实现抽真空，提供真空操作环境，保证加工过程不受空气的干扰。

本发明一种微纳结构制造装置，为了实现微纳米加工甚至原子组装，避免微小的振动对加工精度的影响，可以将装有装置整体的密封腔固定在精密隔振平台上，使用隔振平台可以屏蔽外界环境引起的微小振动。