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针尖电场作用下自组装单层膜的活化及其表征

肖新星  
【摘要】: 原子力显微镜(AFM)凭借着适用性、可操作性和原子级分辨率等优点,在生物学、材料学、纳米加工等领域取得了令人瞩目的成就。导电模式原子力显微镜,一方面在获得样品表面形貌及力学性质同时,可以完成对样品导电特性的测量;另一方面通过针尖与样品之间施加电场,可以完成对不同要求下的各种分子组装和刻蚀。很明显,AFM针尖的尺寸在几纳米到几十纳米范围,电场作用下针尖上自组装单层膜将发生变化,但是,到目前为止还没有有效表征方法来检测针尖表面性质的变化。本论文发展了针尖上自组装单层膜在纳米尺度上的表征方法,研究了电场引起的变化规律,并对针尖电场在基片上自组装单层膜的刻蚀进行了系统研究。取得如下研究成果: 1.半导体针尖在各种条件下的导电特性研究。结果表明,半导体针尖在去除表面氧化层前后的导电性质明显不同,同时随着针尖悬臂梁上受力的改变、实验环境的相对湿度变化,半导体针尖的导电特性呈规律性变化。针尖在未除去表面氧化层时呈现较大的导电电压阈值,除去氧化层后表现出典型点接触半导体特性:正向较小的导电电压阈值,反向较大的击穿电压值。在低湿度下(如相对湿度RH 40%),导电电压阈值随着针尖压力增大而减小,当超过一定值(如典型值25 nN)时,导电电压阈值基本不变。在低湿度(如RH小于25%)情况下,导电电压阈值不随湿度变化,但随着湿度增大而增大,其原因可能是较厚水层构成了较大的导电势垒。在导通状态下,电导率不随针尖压力变化而变化,并且在低湿度环境中(RH小于40%)电导率保持一恒定值,但高湿度(如RH为55%)电导率显著增大。 2.半导体针尖上OTS自组装单层膜的电场活化及表征。通过对半导体针尖/导电基片的有限元建模,得到了针尖处的电场分布,针尖与导电基片接触点处的电场最强,并随着立体角增大而减弱,这为电场方法选择活化针尖上自组装单层膜提供理论支持。施加不同电压值对针尖上OTS自组装膜进行氧化活化,通过检测活化后的针尖与标准样品间毛细力来表征有机单层膜的变化,电压在0~0.5 V范围,毛细力保持与没活化前一致(约19.2 nN),说明小于0.5 V电压不能使针尖上OTS单层膜氧化;电压在0.6~1.6 V范围内,毛细力增大为24~25 nN,显示OTS单层膜表面被氧化;再增大电压,毛细力增大更明显,但变化无规律。选择几个典型电压对针尖上OTS单层膜氧化相同时间(5 s)后,在一系列pH溶液中对针尖表面的基团在羟基表面进行化学力滴定,结果表明:在电压较小时(如1.5 V),氧化后针尖的表面端基可能是羧基和烷基混合;电压增大(如5.0 V),氧化后的表面端基是羧基;再增大电压(如10.0 V),针尖表面端基为羟基,这个结果提示应用不同氧化条件应得到不同表面端基,这是一现象至今还未见报道。 3.发展了正烯烃在针尖的硅氢表面制备高质量的有机单层膜方法,并对针尖进行了电压氧化实验,结果显示实验重复性比OTS针尖更好;建立了定量计算氧化面积的理论模型,根据实验结果计算得到:电压0~0.5 V,针尖上单层膜没有被氧化;电压0.6~1.0 V,氧化面积直径约31.2 nm;电压为1.1 V,氧化面积直径为46.9 nm,这一尺寸已经接近针尖尖端整个表面;更高的电压将产生更大的氧化面积。 4.采用针尖电场对硅片上自组装单层膜表面进行选择氧化,研究了各种条件对氧化过程的影响。在OTS自组装单层膜上,能形成氧化点的最低电压为7.5 V;氧化点大小对湿度、作用时间很敏感,随着湿度和时间增加而显著增大。虽然氧化点大小随氧化偏压的增大而增大,但影响不显著。实验结果还表明针尖压力对氧化点大小没影响。在硅氢表面形成的自组装单层膜,其成膜质量更高,粗糙度小于0.57 nm。并且由针尖电压引起的氧化点大小容易控制在很小范围,如8 V电压可得到20 nm左右的氧化点。氧化点可以吸附液态颗粒,这为组装纳米材料、制备纳米器件提供了新方法。


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