[发明专利]基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工方法及其装置，更具体而言，涉及一种可在特定基底或者微纳芯片上原位合成微纳米尺度的功能材料的加工方法和装置，可用于构筑全固态微纳米器件。

背景技术

在超大规模集成电路、微机电、精密光学产业的推动下，功能元器件朝着微型化、集成化方向发展，甚至达到单分子层面的分子器件。由于在分子水平上组装分子器件必须依赖扫描探针显微镜(SPM)，如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)，操作复杂、效率低下，很大程度上还依赖于实际操作者的实验技巧，目前实际应用的批量化制造功能元器件的工艺还只能达到微米级和亚微米级。电化学方法不仅在微纳米芯片加工制作方面具有重要的意义，而且在微纳米功能元器件的构筑方面也有独到的应用。例如，通过电化学调控的方法，可以设计开关、马达、分子晶体管等微纳米电化学元器件。传统的电化学元器件，都是通过电极/溶液界面的氧化还原反应来实现其特定功能的，即在特定的溶液环境下工作的。然而，当电化学元器件的尺度达到微纳米级时，由于微体积引起的高蒸汽压，溶液环境已经很难保持。此外，也给微纳米器件的集成和封装带来极大的难度。为了适应微型化、集成化的要求，必须发展全固态的电化学功能元器件。

固体电化学发展已有多年的历史，在电化学基础理论、电化学传感器、电色器件、光电催化、能源转换等方面都有长足的进步。但是，固体电解质很难加工成型；即使加工成型，也很难有效的组装到微器件中去，很难保证固体电解质与电极之间接触良好。例如，普鲁士蓝是一种良好的电子-离子混合导体，而且具有优良的电化学活性。培养各种尺度的普鲁士蓝材料并非难事，然而由于其机械强度差，要把培养好的普鲁士蓝材料组装到微纳米器件中，并保证普鲁士蓝和电极之间的接触良好，即具有较低的接触电阻，几乎是不大可能的。迄今为止，具有实用价值的在微纳米器件上原位合成微纳米尺度的功能材料，还鲜见报道。本发明提供一种基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工方法及其装置，可在特定基底或者微纳芯片上原位合成微纳米尺度的功能材料，从而实现全固态微纳米器件的高效、批量加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工方法，所述方法包括：构筑微纳米尺度的电化学反应器，以将合成功能材料的物理化学过程限制在微纳米尺度的空间内；以及，调控导电基底或芯片上微区物理化学环境，以在导电基底或微纳芯片上原位合成微纳米尺度的功能材料。

本发明的另一个目的在于提供一种基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工装置，所述装置包括微纳米尺度的电化学反应器、电化学工作站、微纳精度的三维微动系统、视频监视器和信息处理计算机，

所述电化学反应器设置有：具有微纳米尺度的开口尖端的容器；容纳在所述容器中的辅助和参比电极，以及作为工作电极的被加工的基底或者芯片，其中所述容器和所述被加工的基底或芯片之间通过飞升(～fL)至皮升(～pL)级的电解质溶液相互接触，形成一个电化学微纳反应器；

所述电化学工作站用于控制通过电化学微纳反应器的电压、电流及其频率，从而调控导电基底或微纳芯片上的微区物理化学环境，以结晶、沉淀、电沉积、电化学聚合、电化学诱导聚合等方式，在导电基底或微纳芯片上原位合成微纳米尺度的功能材料；

所述微纳精度的三维微动系统用于精确移动电化学微纳反应器到导电基底或者微纳芯片的特定位置；

所述视频监视器用于对加工过程实时监控，以确保电化学微纳反应器进入导电基底或者微纳芯片的特定位置并与之接触；以及

所述信息处理计算机用于对电化学工作站、三维微动系统、视频监视器的指令发送和反馈信息，确保加工的顺利进行。

此外，本发明的再一个目的是提供一种本发明的基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工装置的使用方法，所述方法包括以下步骤：

1)制备具有微纳米尺度开口尖端的容器，以作为电化学微纳电解池；

2)将导电基底或者微纳芯片固定在底座上作为电化学工作电极；

3)将电解质溶液注入具有微纳米尺度开口尖端的容器内，插入参比电极和辅助电极；

4)将装有电解质溶液、参比电极和辅助电极的容器固定在三维微动系统的固定架上；

5)将LED灯和高倍率放大CCD镜头固定在视频固定装置上，调节光路，聚焦到导电基底或微纳芯片上要加工的位置；