[发明专利]纳米电极对中电极间距的精密调控方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米电极，尤其是涉及纳米电极对中电极间距的精密调控方法。

背景技术

分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其最终目标是用单个分子、超分子或分子簇代替传统的固体电子学元件，组装成逻辑电路，乃至完整的分子计算机。它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及分子器件组装等。为了在实验上对单个金属原子/分子的电学性质进行测量，就必须将单个金属原子/分子与测量回路相连。成功构筑金属原子点接触结构或者分子结是测量单个金属原子/分子的电学性质的关键。现国际上普遍采用的方法包括扫描隧道显微镜裂结(STM-Break Junction，STM-BJ)法和机械可控裂结(Mechanically Controllable Break Junction,MCBJ)法，这两种方法都能够构筑金属原子点接触和单分子与测量电路的有效连接。与STM-BJ法相比，MCBJ法具有在短时间内快速构筑大量分子结的能力，该方法是通过压电陶瓷上下移动的机械力反复地将基底上的金属细丝拉开和愈合，当金属细丝被拉开成具有纳米间隔的电极对时，金属原子点接触结构或溶液中的分子就有机会搭载在两端金属电极对上，此时便能测到金属原子点接触或分子结的电学性质。MCBJ法具有易操作，重复性高，成本低，易于测试单个金属原子/分子的电学性质等优点，成为了推动了分子电子学研究和发展的一种重要技术手段。

实现单个金属原子/分子电学性质测量的前提是需要让测试芯片的电极对形成与目标原子/分子长度相匹配的纳米间隔，我们称这种电极对为纳米电极对。考虑到微纳尺度下，由于电极对间距精确测量的实际难度以及微观环境下各种非稳定因素的存在，实现电极对之间纳米间距的精密控制仍然是一个难题。目前，无论是STM-BJ法还是MCBJ法，均采用的是不断开合金属电极对，从而概率性地在纳米电极间构筑非稳定连接的单个金属原子点接触/分子结，然后通过对其电学测量所得数据的统计分析来较准确地获得单个金属原子/分子的电学性质。但是，如果能精密调控纳米电极对的间距，就必然能使构筑的金属原子点接触或分子结相对更稳定、长时间地连接于宏观电路中，从而能更准确的测量到单个金属原子/分子的电学性质。因此研究精密调控纳米电极对间距的方案对于分子电子学的研究和发展来说都是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供纳米电极对中电极间距的精密调控方法。

本发明包括以下步骤：

1)利用非稳定连接的MCBJ技术确定待测单原子/分子电导；

2)采用PID控制方案对纳米电极对间距实施稳定调控，实现电极对间单个金属原子点接触/分子结的稳定连接。

在步骤1)中，所述利用非稳定连接的MCBJ技术确定待测单原子/分子电导的具体方法可为：首先，制备具有悬空切口金属线(Notched wire)结构的芯片，将芯片置于三点受力的机械可控裂结装置中，通过芯片中间底部的压电陶瓷上下移动的机械力，反复地将基底上的金属细丝拉开和愈合，当金属细丝被拉开时，形成原子级尖端的纳米电极对；当电极对处于适当的间距时，金属原子点接触或溶液中的目标分子会通过锚定基团与金属电极的相互作用，使电极与分子相连成结，构筑金属/分子/金属结(简称分子结)，实现分子与外界测量回路的相连，能测量目标金属原子或分子的电学性质；然后，通过对监测所得电学信号进行统计分析可得到较准确的原子/分子电导。

在步骤2)中，所述采用PID控制方案对纳米电极对间距实施稳定调控，实现电极对间单个金属原子点接触/分子结的稳定连接的具体方法可为：将目标原子/分子的电导作为设定值，以电极对间的实时电导信号作为反馈信号，利用PID控制算法对压电陶瓷进行调控，控制压电陶瓷上下移动，使电极对两端保持在一定的距离，保证所测量到的电导值稳定在目标原子/分子的电导值上；进行PID控制时，首先利用电导测量装置对MCBJ电极对两端的实时电导信号G(t)进行测量，获得测量信号G_m(t)，反馈至控制器，控制器实时计算该测量信号与第一步中获得的单原子点接触/分子结稳定连接时的电导值G_r之差，得到控制误差信号e(t)然后根据如下增量PID控制公式确定输出信号u(t)；

u(t)＝u(t-1)+K_p[e(t)-e(t-1)]+K_ie(t)+K_d[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]