[发明专利]一种基于柔性材料的平面机械可控裂结方法

说明书

基于柔性薄膜材料制作的芯片，利用压电陶瓷产生的竖直方向的机械力，通过滑轨与压电陶瓷联用的方式，在水平方向上拉伸柔性基底，驱动该基底上的微结构拉伸或收缩，实现在水平方向上构建金属结的形成与断裂，该方法操作简单，成本低廉且克服了外加光场时光束聚焦的困难，利于获得单分子结，并对单分子特性特进行研究。

技术领域

本发明应用于机械可控裂结技术装置，尤其是基于柔性材料来实现，涉及分子电子学、柔性材料、光学等诸多领域。

背景技术

半导体硅基器件已经广泛应用于各个领域，1965年摩尔提出，电子元器件的尺寸会随着时间呈指数缩小，当传统的硅基半导体器件无法满足尺寸不断变小的需求时，分子电子学应运而生，利用原子、分子或分子团簇的本身的性质，实现电子器件的功能。更重要的是，由于分子器件往往在小于10nm的尺度范围内，故其输运性质受到各种量子效应的影响更为显著，因而表现出很多不同于传统器件的工作原理与器件性能，进一步促进了分子电子学的发展。利用单分子构建功能光电子器件不仅可满足器件微小化乃至高度集成的需求，而且可研究材料在分子水平上的本征物理化学现象及其调控规律，是未来分子光电子器件研发的科学基础。场效应晶体管的实现让分子电子学的发展突飞猛进，同时单分子结技术也得到了迅猛发展，手段更为多样化，其中被广泛应用的主要有机械可控裂结(Mechanically Controllable Break Junction，MCBJ)技术和扫描隧道显微镜裂结(Scanning Tunneling Microscope Break Junction，STM-BJ)法。

STM利用的是利用贵金属的延展性，通过竖直方向的拉伸及收缩，制备电极-分子-电极结。这限制了分子器件的光电特性的研究，尽管可以在STM的基础上进行改造，比如在光学平台上搭建光路，将光照射到基底电极上，但是这种外加光场的方式较为复杂，且光路固定后不宜移动，不利于后续的操作。而对于机械可控纳米裂结技术，其装置是由柔性基板和带有切口的金丝组成，当基板向上弯曲时，通过压电元件精确控制金属丝断裂形成电极。尽管其稳定性较高，受到其裂结方式的影响，在竖直方向上运动时光斑难以聚焦，限制了分子的光电性能的研究。基于此，提出一种简单、高重复性的，可在室温下实现单分子测量的平面裂结技术就显得非常重要。

TPU(Thermoplastic polyurethanes)，热塑性聚氨酯弹性体橡胶，具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性，目前已经被广泛应用于电子、医疗、体育等各个方面，与其他弹性材料相比，具有无法比拟的高强度、耐老化的特性。可利用特定厚度的TPU柔性材料代替弹簧钢片作为基底，在此基底上制备金属电极。

本发明利用TPU柔性材料作为基底，利用压电陶瓷产生的拉力拉伸TPU柔性膜，带动金属线运动，实现平面金属原子级断裂的过程。并且在外加光场时，能够避免传统裂结技术中焦距改变的问题，为单分子光电效应的研究提供了一种新的技术手段。

发明内容

本发明的目的是基于现有的裂结技术中研究单分子光电效应时带来的限制，提供一种柔性材料为基底，利用压电陶瓷带动柔性膜拉伸，在水平方向上实现可控裂结的方法。

本发明包括带孔洞的基板、TPU柔性芯片、压电陶瓷、直行导轨、滑杆、电流设备分析仪。其中TPU柔性芯片组成是：一根中间部分带有悬空凹槽的金线，通过黑胶固定在TPU柔性膜上。