纳米连线的制备方法与装置.pdf

一种纳米连线的制备方法与装置，涉及利用外加物理场力的牵引和调控作用，通过控制或引导界面化学反应在微电极对的特定位置选择性优先发生并随反应产物的沉积不断沿着目标方向进行自调整，使得反应产物有序可控生长组装并实现搭接，从而在电极对间形成具有良好性能的纳米连线。该装置包含外场发生器、样品架、化学沉积系统装置，预布有电极对结构的基片位于样品架上；外场发生器与化学沉积系统装置、样品架、预布有电极对结构的基片分立设置，与样品电极间没有引线连接和直接接触，外场发生器可独立于界面化学沉积反应系统。

1.  一种纳米连线的制备方法，其特征在于利用分立设置的外场发生器产生的外加物理场对固---液界面化学沉积系统的辐射，有效作用于反应池中的样品和溶液，让外加物理场沿着电极对方向平行穿过，通过外加物理场力的牵引和调控作用，控制或引导固、液界面化学反应在微电极对的特定位置选择性优先发生并随反应产物的沉积不断沿着目标方向进行自调整，使得反应产物有序可控生长组装并实现搭接，在电极对间形成具有良好性能的纳米连线；具体步骤为：
首先选择合适的固---液界面化学沉积反应体系，配置化学沉积溶液，放入恒温反应池中，控制好适宜的温度；利用外场发生器在化学沉积系统尤其是样品放置处产生电场或磁场；将预布有电极对的基片进行表面预处理，固定到样品架上，放入化学沉积溶液中，使电极对置于施加外场的合适位置，电极对的方向平行于外加电场或磁场方向，在电极界面进行化学沉积反应，在电极对间获得纳米连线。

2.  根据权利要求1所述的一种纳米连线的制备方法，其特征在于固、液界面化学沉积反应包括化学镀。

3.  根据权利要求1所述的一种纳米连线的制备方法，其特征在于纳米连线的生长为单向生长、双向相向生长；纳米连线的长度范围为纳米量级、微米量级、毫米量级；纳米连线可以为直的、弯曲的线状；可以是单根、多根；多根的纳米连线可以是平行阵列、类似于电力线分布的网络。

4.  根据权利要求1所述的一种纳米连线的制备方法，其特征在于用作纳米连线的材料为金、银、铜、镍、钴、钯、铂、合金或铁氧体。

5.  一种用于权利要求1所述的一种纳米连线的制备方法的制备装置，其特征在于该装置包含外场发生器、样品架、化学沉积系统装置，预布有电极对结构的基片位于样品架上；外场发生器与化学沉积系统装置、样品架、预布有电极对结构的基片分立设置，与样品电极间没有引线连接和直接接触，外场发生器可独立于界面化学沉积反应系统。

6.  根据权利要求5所述的一种纳米连线的制备装置，其特征在于外场发生器为磁场发生器、电场发生器；产生的物理场为交变电场或直流电场或静磁场或交变磁场。

7.  根据权利要求5所述的的一种纳米连线的制备装置，其特征在于样品架含镶嵌单个或多个基片的刻槽、固定支架、定位螺杆，刻槽排列呈平面单层或多层框架式。

8.  根据权利要求5所述的的一种纳米连线的制备装置，其特征在于化学沉积装置含恒温反应池，反应溶液、固定于样品架上的基片位于恒温反应池中。

纳米连线的制备方法与装置
技术领域
本发明涉及的是纳米连线的制备方法与装置，尤其是涉及连接于电极间的纳米连线的制备技术，属于纳米功能结构/材料及其制备技术领域。
背景技术
纳米科学与技术是当今最为活跃、最引人注目的研究热点，人们已不仅仅满足于简单的纳米材料、纳米结构的制备，现在更多的则是关注于如何设计具有特殊性质的纳米结构、构筑有序或图形化的纳米结构体系以发展出具应用前景的微纳型器件。在特定位置将纳米结构按一定方式排列、组装和搭接是纳米结构器件设计与实现的基础。纳米连线是一些关键纳米结构体系中的一个重要组成部分，对于研究纳电子学，发展纳米传感器件、CMOS器件、集成电路、芯片技术具有重要的意义。常用的纳米连线技术包括各种微纳米刻蚀技术、模板技术、组装技术。其中，组装技术以其在特定器件结构中排列纳米连线的简单便利而受广泛关注，其研究非常活跃，方法层出不穷。比如，利用光场，将纳米线在微流道中捕捉和定位实现连接；利用磁场，将磁性纳米颗粒或磁性纳米线组装到电极对间，为了达到好的磁组装效果，需采用磁性电极对；利用电场的介电泳力，将纳米颗粒或纳米线组装到电极对间。利用光/磁/电场辅助的组装方法绝大部分需要事先合成待组装的纳米颗粒或纳米线。近来发展的电场组装方式中尽管采用了一些金属离子作为组装金属纳米线的来源，但现有电场的组装方法往往采用外电源与组装电极对的连线方式，即组装纳米连线的微电极对需要与外电路有直接的电连接，电极对间形成较大的电势和局域场强，不仅带来不便，有时还会引起电极反应而损坏电极。实际操作中还需要考虑直接电组装过程中水解反应的抑制避免和液滴蒸发的不利影响。
发明内容
技术问题：本发明目的是在于提供一种纳米连线的制备方法与装置，通过控制或引导界面化学反应在微电极对的特定位置选择性优先发生并随反应产物的沉积不断沿着目标方向进行自调整，使得反应产物有序可控组装并最终在电极对上实现搭接，形成具有良好结合力和电磁学性能的纳米连线。
技术方案：本发明的一种纳米连线的制备方法利用分立设置的外场发生器产生的外加物理场对固---液界面化学沉积系统的辐射，有效作用于反应池中的样品和溶液，让外加物理场沿着电极对方向平行穿过，通过外加物理场力的牵引和调控作用，控制或引导固、液界面化学反应在微电极对的特定位置选择性优先发生并随反应产物的沉积不断沿着目标方向进行自调整，使得反应产物有序可控生长组装并实现搭接，在电极对间形成具有良好性能的纳米连线；具体步骤为：
首先选择合适的固---液界面化学沉积反应体系，配置化学沉积溶液，放入反应池中，控制好适宜的温度；利用外场发生器在化学沉积系统尤其是样品放置处产生电场或磁场；将预布有电极对的基片进行表面预处理后，固定到样品架上，放入化学沉积溶液中，使电极对置于施加外场的合适位置，电极对的方向平行于外加电场或磁场方向，在电极界面进行化学沉积反应，在电极对间获得纳米连线。
其中，固、液界面化学沉积反应包括化学镀。
纳米连线的生长为单向生长、双向相向生长；纳米连线的长度范围为纳米量级、微米量级、毫米量级；纳米连线可以直的、弯曲的线状；可以是单根、多根；多根的纳米连线可以是平行阵列、类似于电力线分布的网络。
用作纳米连线的材料为金、银、铜、镍、钴、钯、铂、合金或铁氧体。
该装置包含外场发生器、样品架、化学沉积系统装置，预布有电极对结构的基片位于样品架上；外场发生器与化学沉积系统装置、样品架、预布有电极对结构的基片分立设置，与样品电极间没有引线连接和直接接触，外场发生器可独立于界面化学沉积反应系统。
外场发生器为磁场发生器、电场发生器；产生的物理场为交变电场或直流电场或静磁场或交变磁场。
样品架含镶嵌单个或多个基片的刻槽、固定支架、定位螺杆，刻槽排列呈平面单层或多层框架式。
化学沉积装置含恒温反应池，反应溶液、固定于样品架上的基片位于恒温反应池中。
有益效果：
1.纳米线的获得是利用基于外加物理场力作用下的可控界面化学沉积反应，无需事先合成待组装连线的纳米颗粒或纳米线。在反应过程中，化学反应能随新沉积出的反应产物进行自引导自调整，便于实现纳米连线的组装多样性和有序性效果。
2.利用磁场力作用下的纳米连线组装，只需要沉积物或主反应物是磁性的，对电极对没有磁性要求。磁性纳米连线由于受外磁场作用下在特定方向上有序组装获得，有利于增强其磁学特性或某一取向的晶相结构。
3.利用电场力作用下的纳米连线组装，电场装置独立于化学沉积系统，与样品电极间没有直接的连线接触，无需对电极做电引线，便于纳米结构的组装操控。而且，与现有电组装技术相比，在溶液中的样品电极对间实现纳米连线所需要的电场力较小，电场发生器在样品电极对上产生的局域场很弱，电极上不会引起由外加电场带来的水解、电极溶解损坏等不良副反应。
4.纳米连线通过在电极界面的化学反应和在线沉积获得，其与电极间具有良好的结合力，有利于降低接触电阻，改善纳米线的性能可靠性，减小由此所发展敏感元器件的背景噪音。
5.利用本发明涉及的外场组装方法，适于多端电极或阵列电极间的纳米连线，可获得多种形状的纳米连线、较长的有序纳米连线及阵列或网络。纳米连线的生长模式可以根据电极和外场的设计选择实现单向、双向。
6.电极对在反应池中的位置以及与外场所辐射的相对位置、方向是获得本发明涉及的各种纳米连线的必要条件。基于本设计的纳米连线的装置，尤其是样品架的考虑，便于样品位置固定、取放、准确定位，便于多个样品的同时批量进行，保证了纳米连线的获得以及制备的重复性和准确性；可温控界面化学沉积系统与外场发生器的分立设计，便于改变化学反应体系，获得不同材料的纳米连线。
附图说明
图1是制备纳米连线的装置示意图。其中有，a微电极对，b纳米连线，c基片，d样品架，e反应溶液，f化学沉积系统(含恒温反应池)，g外场发生器。
具体实施方式
建立一种可方便操控的纳米连线的制备装置，选择具有良好界面定域的固、液化学沉积反应，借助于外加物理场力的牵引和调控作用，将化学反应限定在微电极对的尖端或端面优先进行，并以界面新沉积出的反应产物作为新的生长点，不断向着对电极的方向组装生长，最终搭接于电极对上，形成纳米连线。
纳米连线的制备装置包含分立的外场发生器、样品架、化学沉积系统装置，预布有电极对结构的基片位于样品架上。其中，外场发生器与化学沉积系统装置、样品架、预布有电极对结构的基片分立设置，与样品电极间没有引线连接和直接接触，外场发生器可独立于界面化学沉积反应系统；装置各部分相对的尺寸和位置根据理论计算设计有机结合，以保证分立的外场发生器产生的物理场能辐射到界面化学沉积系统，并有效作用于反应池中的样品和溶液。外场发生器为磁场发生器、电场发生器。样品架含镶嵌单个或多个基片的刻槽、固定支架、定位螺杆，便于固定和取放预布有电极对结构的基片；刻槽排列呈平面单层或多层框架式。化学沉积系统装置含恒温反应池，反应溶液、固定于样品架上的基片位于恒温反应池中。
本发明所述的固、液界面化学沉积反应，包括但不局限于化学镀；
外加的物理场为外置分立的交变电场或直流电场，或静磁场或交变磁场；施加的外场穿过电极对，其方向与电极对方向平行；
电极对的间距为纳米量级、微米级、毫米级。电极对端极可以对称、不对称；电极尖端呈尖形、钝形、锯齿状或圆形、矩形及多端阵列；
通过电极对、外场的选择设定，纳米连线可以单向生长；也可以双向相向生长；
纳米连线的长度范围为纳米量级、微米量级、毫米量级；纳米连线可以为直的、弯曲的线状；可以是单根、多根；多根的纳米连线可以是平行阵列、类似于电力线分布的网络；
用作纳米连线的材料为金属或非金属，如金、银、铜、镍、钴、钯、铂、合金、铁氧体等。
实施例1：搭建静磁场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将化学镀镍溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将微电极对表面预处理，固定到样品架上，放入化学镀镍溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于静磁场的中心，电极对的方向平行于外加磁场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得相向生长的镍的纳米连线，通过不同电极形状的选择分别可获得镍的单根纳米连线和数根纳米连线平行阵列。将化学镀镍溶液分别换为钴或(含镍、钴、铁的)磁性合金或铁氧体的化学镀溶液，并将控制的温度分别做相应改变，则在电极对间获得相向生长的钴或(含镍、钴、铁的)磁性合金或铁氧体的纳米连线，通过不同电极形状的选择分别可获得相向生长的钴或(含镍、钴、铁的)磁性合金或铁氧体的单根纳米连线和数根纳米连线平行阵列。
实施例2：搭建交变磁场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将化学镀镍溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将微电极对表面预处理，固定到样品架上，放入化学镀镍溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于静磁场的中心，电极对的方向平行于外加磁场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得相向生长的镍的纳米连线，通过改变电极的形状分别可获得镍的单根纳米连线和数根纳米连线平行阵列。将化学镀镍溶液分别换为钴或(含镍、钴、铁的)磁性合金或铁氧体的化学镀溶液，并将控制的温度分别做相应改变，则在电极对间获得相向生长的钴或(含镍、钴、铁的)磁性合金或铁氧体的单根纳米连线和数根纳米连线平行阵列。
实施例3：搭建磁场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将磁性材料的化学镀溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将微电极对表面预处理，固定到样品架上，放入化学镀镍溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置偏离静磁场的中心，电极对的方向平行于外加磁场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得单向生长的磁性材料的纳米连线及平行阵列。
实施例4：搭建交变电场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将化学镀镍溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将微电极对表面预处理，固定到样品架上，放入化学镀镍溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于交变电场中心，电极对的方向平行于外加电场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得相向生长的镍的纳米连线，通过改变电极的形状分别可获得镍的单根纳米连线和数根呈类似电力线的网络状纳米连线。将化学镀镍溶液分别换为钴或金或银或铜或铂或钯或合金的化学镀溶液，并将控制的温度分别做相应改变，则在电极对间获得相向生长的钴或金或银或铜或铂或钯或合金的单根纳米连线和多根呈类似电力线的网络状纳米连线。
实施例5：搭建直流电场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将化学镀溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将微电极对表面预处理，固定到样品架上，放入化学镀溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于直流电场中，电极对的方向平行于外加电场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得单向生长的所镀金属或合金的纳米连线。
实施例6：搭建磁场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将磁性金属或磁性合金或铁氧体的化学镀溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将某一端经钝化处理或呈惰性的不对称微电极固定到样品架上，放入化学镀溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于磁场中，电极对的方向平行于磁场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得单向生长的磁性金属或磁性合金或铁氧体的纳米连线。
实施例7：搭建交变电场发生器和可温控的化学镀沉积系统，将金属或合金的化学镀溶液放入反应池中，控制好适宜的温度。将某一端经钝化处理或呈惰性的不对称微电极固定到样品架上，放入化学镀溶液中，让固定于样品架上的电极对的位置处于磁场中，电极对的方向平行于外加电场方向，反应一定时间后，取出电极，在电极对间获得单向生长的金属或合金的纳米连线。