針尖電場(chǎng)作用下自組裝單層膜的活化及其表征.pdf

1、原子力顯微鏡(AFM)憑借著適用性、可操作性和原子級(jí)分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在生物學(xué)、材料學(xué)、納米加等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。導(dǎo)電模式原子力顯微鏡，一方面在獲得樣品表面形貌及力學(xué)性質(zhì)同時(shí)，可以完成對(duì)樣品導(dǎo)電特性的測(cè)量；另一方面通過(guò)針尖與樣品之間施加電場(chǎng)，可以完成對(duì)不同要求下的各種分子組裝和刻蝕。很明顯，AFM針尖的尺寸在幾納米到幾十納米范圍，電場(chǎng)作用下針尖上白組裝單層膜將發(fā)生變化，但是，到目前為止還沒(méi)有有效表征方法來(lái)檢測(cè)針尖表面性質(zhì)的變化。本論

2、文發(fā)展了針尖上白組裝單層膜在納米尺度上的表征方法，研究了電場(chǎng)引起的變化規(guī)律，并對(duì)針尖電場(chǎng)在基片上白組裝單層膜的刻蝕進(jìn)行了系統(tǒng)研究。取得如下研究成果： 1.半導(dǎo)體針尖在各種條件下的導(dǎo)電特性研究。結(jié)果表明，半導(dǎo)體針尖在去除表面氧化層前后的導(dǎo)電性質(zhì)明顯不同，同時(shí)隨著針尖懇臂梁上受力的改變、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的相對(duì)濕度變化，半導(dǎo)體針尖的導(dǎo)電特性呈規(guī)律性變化。針尖在朱除去表面氧化層時(shí)呈現(xiàn)較人的導(dǎo)電電壓閩值，除去氧化層后表現(xiàn)山典型點(diǎn)接觸半導(dǎo)體特性：止

3、向較小的導(dǎo)電電壓閩值，反向較大的擊穿電壓值。在低濕度下(如相對(duì)濕度RH＜40％)，導(dǎo)電電壓閩值隨著針尖壓力增大而減小，當(dāng)超過(guò)一定值(如典型值25nN)時(shí)，導(dǎo)電電壓閩值基本不變。在低濕度(如RH小于25％)情況下，導(dǎo)電電壓閾值不隨濕度變化，但隨著濕度增大而增大，其原因可能是較厚水層構(gòu)成了較大的導(dǎo)電勢(shì)壘。在導(dǎo)通狀態(tài)下，電導(dǎo)率不隨針尖壓力變化而變化，并且在低濕度環(huán)境中(RH小于40％)電導(dǎo)率保持一恒定值，但高濕度(如RH為55％)電導(dǎo)率顯著增

4、大。 2.半導(dǎo)體針尖上OTS自組裝單層膜的電場(chǎng)活化及表征。通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體針尖/導(dǎo)電基片的有限元建模，得到了針尖處的電場(chǎng)分布，針尖與導(dǎo)電基片接觸點(diǎn)處的電場(chǎng)最強(qiáng)，并隨著立體角增大而減弱，這為電場(chǎng)方法選擇活化針尖上自組裝單層膜提供理論支持。施加不同電壓值對(duì)針尖上OTS白組裝膜進(jìn)行氧化活化，通過(guò)檢測(cè)活化后的針尖與標(biāo)準(zhǔn)樣品間毛細(xì)力來(lái)表征有機(jī)單層膜的變化，電壓在0～0.5V范圍，毛細(xì)力保持與沒(méi)活化前一致(約19.2nN)，說(shuō)明小于0.5V電壓

5、不能使針尖上OTS單層膜氧化；電壓在0.6～1.6V范圍內(nèi)，毛細(xì)力增大為24～25nN，顯示OTS單層膜表面被氧化；再增大電壓，毛細(xì)力增大更明顯，但變化無(wú)規(guī)律。選擇幾個(gè)典型電壓對(duì)針尖上OTS單層膜氧化相同時(shí)間(5s)后，在一系列pH溶液中對(duì)針尖表面的基團(tuán)在羥基表面進(jìn)行化學(xué)力滴定，結(jié)果表明：在電壓較小時(shí)(如1.5V)，氧化后針尖的表面端基可能是羧基和烷基混合；電壓增大(如5.0V)，氧化后的表面端基是羧基；再增大電壓(如10.0V)，針尖

6、表面端基為羥基，這個(gè)結(jié)果提示應(yīng)用不同氧化條件應(yīng)得到不同表面端基，這是一現(xiàn)象至今還未見(jiàn)報(bào)道。 3.發(fā)展了止烯烴在針尖的硅氫表面制備高質(zhì)量的有機(jī)單層膜方法，并對(duì)針尖進(jìn)行了電壓氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)重復(fù)性比OTS針尖更好；建立了定量計(jì)算氧化面積的理論模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到：電壓0～0.5V，針尖上單層膜沒(méi)有被氧化；電壓0.6～1.0V，氧化面積直徑約31.2nm；電壓為1.1V，氧化面積直徑為46.9nm，這一尺寸已經(jīng)接近針尖尖端

7、整個(gè)表面；更高的電壓將產(chǎn)生更大的氧化面積。 4.采用針尖電場(chǎng)對(duì)硅片上自組裝單層膜表面進(jìn)行選擇氧化，研究了各種條件對(duì)氧化過(guò)程的影響。住OTS自組裝單層膜上，能形成氧化點(diǎn)的最低電壓為7.5V；氧化點(diǎn)大小對(duì)濕度、作用時(shí)間很敏感，隨著濕度和時(shí)間增加而顯著增大。雖然氧化點(diǎn)大小隨氧化偏壓的增大而增大，但影響不顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明針尖壓力對(duì)氧化點(diǎn)大小沒(méi)影響。在硅氫表面形成的自組裝單層膜，其成膜質(zhì)量更高，粗糙度小于0.57nm。并且由針尖電壓引