[发明专利]一种具有高衰减系数的机械可控裂结装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械可控裂结装置，尤其是涉及一种具有高衰减系数的机械可控裂结装置。

背景技术

1985年，Moreland和Ekin在研究超导材料的隧穿效应([1]Zheng,J.-T.；Yan,R.-W.；Tian,J.-H.；Liu,J.-Y.；Pei,L.-Q.；Wu,D.-Y.；Dai,K.；Yang,Y.；Jin,S.；Hong,W.；Tian,Z.-Q.Electrochim.Acta 2016,200,268)时，第一次提出了机械可控裂结法(Mechanically Controllable Break Junction,MCBJ)。经由上世纪90年代荷兰莱顿大学van Ruitenbeek教授等人的发展和完善，机械可控裂结法已成为构筑纳米间隔、金属原子点接触结构、单分子结的最主流方法之一。

采用MCBJ进行实验成功的关键是制得具有高衰减系数的微芯片，并将该微芯片与外界实现相连。在进行MCBJ的实验中，具有电极对结构的微芯片被固定在一个弹性基底上，基底又被安装在一个三点受力的装置上。基底下方的顶杆向上运动，引起基底弯曲、导致电极对结构被往两侧拉伸，进而形成纳米间隔。其中，衰减系数r被定义为顶杆运动距离与其引起的电极对往两侧拉伸距离的比值。以衰减系数等于10^-4为例，此时若顶杆在垂直方向上发生1μm的行程，电极对之间的距离将仅改变0.1nm。可见，高衰减系数的存在，将可以极为精确地调控电极对之间的距离。如何构建具有高衰减系数的机械可控裂结装置([2]Vrouwe,S.A.G.；van der Giessen,E.；van der Molen,S.J.；Dulic,D.；Trouwborst,M.L.；van Wees,B.J.Mechanics of lithographically defined break junctions[J].Physical Review B 2005,71,035313)，是分子电子学学科中的重要问题和难点问题。

衰减系数([3]Yang,Y.；Liu,J.；Feng,S.；Wen,H.；Tian,J.；Zheng,J.；B.；Amatore,C.；Chen,Z.；Tian,Z.Nano Res.2016,9,560)r与微芯片的结构，尤其是微芯片中电极对的悬空距离u直接相关。当前，国际上普遍采用MCBJ的装置实现分子电导测量可以分为两类。其一是切口金丝法，实验过程中，研究者将一根直径约为0.1mm的金属丝通过手术刀环切，得到剩余部分直径约为原金属丝直径三分一的切口。然后将该带有切口的金属丝两端用环氧树脂固定在一个弹性基底上，作为微芯片。然而，该方法得到的微芯片，其u值往往落于mm数量级，为此衰减系数一般仅能达到10^-2数量级。第二种实现方法是微纳加工法，实验过程中，研究者通过利用光学掩膜版、或者控制电子束轨迹，可以将u值减小到μm乃至nm数量级。为此，该类方法所制得的微芯片，其衰减系数可以达到10^-4数量级以下，从而大大提高了纳米间隔的控制精度以及装置本身的稳定性。

但是，采用微纳加工法面临着一个难点问题。为实现微芯片中电极对部分的悬空，实验过程中需要引入绝缘层和牺牲层结构。传统做法是采用二氧化硅、氮化硅等无机材料作为绝缘层，随着无机材料致密性的增加，绝缘能力增强，绝缘层的刚性增强。二氧化硅的莫氏硬度在6～7，通过化学气相沉积生长二氧化硅作为绝缘层容易产生裂痕，导致芯片短路。据国际上新近的文献报道，聚酰亚胺(PI)有望同时充当绝缘层和牺牲层结构。PI是一种高分子材料，具有耐高温、高断裂韧性、耐腐蚀、化学稳定性好、易于释放去除等优点，它的弯曲强度在200℃下可达24MPa，250℃下弯曲强度和压缩强度仍有12～13MPa，特别适用于柔性基底或是各种耐高温电机电器的绝缘材料。微芯片制作采用直接旋涂的方式可以得到与基底完美结合的PI层，通过调整旋涂参数即可改变它的厚度。

然而，由于旋涂的PI层质软，致使其上方生长的电极对在使用常规的铝丝压焊机进行引线实现与外部测量电路相连时，容易发生引线磨损或是贯穿整个绝缘层，造成芯片损坏而无法进行下一步实验。同时，通过微纳加工法获得的微芯片，需要在洁净室中通过繁琐的工艺制备，微芯片的制备周期长、成本昂贵。基于上述原因，在进行MCBJ的实验过程中，发展一套简便、经济的可以在室温下构筑纳米间隔、金属原子点接触结构、单分子结的新型装置很有必要，它可以提高微芯片的衰减系数和利用率。

发明内容