機(jī)械可控裂結(jié)法芯片的制作及其材料力學(xué)理論模擬.pdf

1、當(dāng)“自下而上”途徑組裝器件的理念被提出后，美國(guó)科學(xué)家費(fèi)曼繼而提出小尺度上的操作和控制物質(zhì)材料，這兩個(gè)理念引導(dǎo)下產(chǎn)生的分子電子學(xué)成為備受人們關(guān)注的交叉性學(xué)科。過去的六十年里，分子電子學(xué)獲得了飛速的發(fā)展，尤其是世紀(jì)之交的十年可謂是“分子電子學(xué)的黃金十年”，科學(xué)家們接連得到單原子、單分子尺度上的物理化學(xué)性質(zhì)并付諸應(yīng)用。然而，分子電子學(xué)研究的基本結(jié)構(gòu)單元仍是金屬/分子/金屬結(jié)，而其構(gòu)筑方法的不穩(wěn)定性和表征手段不重現(xiàn)及單一性仍然是分子結(jié)的構(gòu)筑和表

2、征研究中面臨的主要困境。
　　本論文工作以構(gòu)筑穩(wěn)定分子結(jié)為目標(biāo)，結(jié)合機(jī)械可控裂結(jié)法(MCBJ，Mechanically Controllable Break Junction)的原理，設(shè)計(jì)并搭建一套能夠用于研究工作的可靠設(shè)備，在深入分析該方法的力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合微納加工技術(shù)，采用電子束曝光技術(shù)制備合適的實(shí)驗(yàn)芯片。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回溯MCBJ實(shí)驗(yàn)的材料力學(xué)原理，獲得基本力學(xué)參數(shù)的公式，并提出特殊的彎曲梁模型。同時(shí)，從發(fā)展表

3、征手段出發(fā)，參與設(shè)計(jì)并搭建一套可以同步表征分子結(jié)電學(xué)性質(zhì)和譜學(xué)性質(zhì)的大型測(cè)量系統(tǒng)。本論文工作的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　1、設(shè)計(jì)和發(fā)展一套利用微納加工技術(shù)制備具有懸空結(jié)構(gòu)納米電極微芯片的方法。通過光學(xué)曝光技術(shù)制作宏觀金屬結(jié)構(gòu)以及微米級(jí)金屬電極對(duì)間隔，聯(lián)用電子束曝光技術(shù)，在微米級(jí)金屬電極對(duì)間隔上套刻制作納米金屬電極，并利用聚酰亞胺(PI)犧牲層和反應(yīng)離子刻蝕工藝，使納米電極形成懸空的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)。
　　2、為彌補(bǔ)硅基底彈性

4、形變范圍有限且容易破裂的缺點(diǎn)，成功引入金屬柔性基底磷青銅(Phosphorus Bronze)和彈簧鋼(Spring Steel)到制備工藝中，其中涉及金屬基底的表面平整、拋光以及絕緣等方法和技術(shù)。制得能夠?qū)挿秶鷱椥孕巫兦也灰姿榱训腗CBJ芯片，所能調(diào)控的納米間隔也極大增大，由此可滿足較大尺寸分子的測(cè)量需要。
　　3、基于本課題組的MCBJ設(shè)備，結(jié)合芯片制作工藝的改進(jìn)，設(shè)計(jì)并改進(jìn)MCBJ裝置。在完成常溫、常壓下MCBJ裝置的搭建工

5、作后，參與超高真空低溫機(jī)械可控裂結(jié)-表面增強(qiáng)拉曼光譜（UHV-LT-MCBJ-SERS）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建工作，驗(yàn)證系統(tǒng)超高真空的獲得，設(shè)計(jì)并搭建環(huán)境溫度控制模塊，實(shí)現(xiàn)液氮溫度到室溫的均勻、穩(wěn)定控制。
　　4、深入分析機(jī)械可控裂結(jié)法中的材料力學(xué)原理，從設(shè)計(jì)思路上確立制作應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)的必要性，結(jié)合自主搭建的MCBJ裝置構(gòu)造和微芯片上納米電極的精細(xì)結(jié)構(gòu)，建立更符合實(shí)際的衰減系數(shù)理論計(jì)算模型，推導(dǎo)出MCBJ方法中各個(gè)重要的材料力學(xué)參數(shù)，并推