針尖電場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、可操作性和原子級分辨率等優(yōu)點，在生物學、材料學、納米加等領域取得了令人矚目的成就。導電模式原子力顯微鏡，一方面在獲得樣品表面形貌及力學性質同時，可以完成對樣品導電特性的測量；另一方面通過針尖與樣品之間施加電場，可以完成對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，到目前為止還沒有有效表征方法來檢測針尖表面性質的變化。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，研究了電場引起的變化規(guī)律，并對針尖電場在基片上白組裝單層膜的刻蝕進行了系統(tǒng)研究。取得如下研究成果： 1.半導體針尖在各種條件下的導電特性研究。結果表明，半導體針尖在去除表面氧化層前后的導電性質明顯不同，同時隨著針尖懇臂梁上受力的改變、實驗環(huán)境的相對濕度變化，半導體針尖的導電特性呈規(guī)律性變化。針尖在朱除去表面氧化層時呈現(xiàn)較人的導電電壓閩值，除去氧化層后表現(xiàn)山典型點接觸半導體特性：止

3、向較小的導電電壓閩值，反向較大的擊穿電壓值。在低濕度下(如相對濕度RH＜40％)，導電電壓閩值隨著針尖壓力增大而減小，當超過一定值(如典型值25nN)時，導電電壓閩值基本不變。在低濕度(如RH小于25％)情況下，導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成了較大的導電勢壘。在導通狀態(tài)下，電導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％)電導率保持一恒定值，但高濕度(如RH為55％)電導率顯著增

4、大。 2.半導體針尖上OTS自組裝單層膜的電場活化及表征。通過對半導體針尖/導電基片的有限元建模，得到了針尖處的電場分布，針尖與導電基片接觸點處的電場最強，并隨著立體角增大而減弱，這為電場方法選擇活化針尖上自組裝單層膜提供理論支持。施加不同電壓值對針尖上OTS白組裝膜進行氧化活化，通過檢測活化后的針尖與標準樣品間毛細力來表征有機單層膜的變化，電壓在0～0.5V范圍，毛細力保持與沒活化前一致(約19.2nN)，說明小于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)，毛細力增大為24～25nN，顯示OTS單層膜表面被氧化；再增大電壓，毛細力增大更明顯，但變化無規(guī)律。選擇幾個典型電壓對針尖上OTS單層膜氧化相同時間(5s)后，在一系列pH溶液中對針尖表面的基團在羥基表面進行化學力滴定，結果表明：在電壓較小時(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，這個結果提示應用不同氧化條件應得到不同表面端基，這是一現(xiàn)象至今還未見報道。 3.發(fā)展了止烯烴在針尖的硅氫表面制備高質量的有機單層膜方法，并對針尖進行了電壓氧化實驗，結果顯示實驗重復性比OTS針尖更好；建立了定量計算氧化面積的理論模型，根據(jù)實驗結果計算得到：電壓0～0.5V，針尖上單層膜沒有被氧化；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.采用針尖電場對硅片上自組裝單層膜表面進行選擇氧化，研究了各種條件對氧化過程的影響。住OTS自組裝單層膜上，能形成氧化點的最低電壓為7.5V；氧化點大小對濕度、作用時間很敏感，隨著濕度和時間增加而顯著增大。雖然氧化點大小隨氧化偏壓的增大而增大，但影響不顯著。實驗結果還表明針尖壓力對氧化點大小沒影響。在硅氫表面形成的自組裝單層膜，其成膜質量更高，粗糙度小于0.57nm。并且由針尖電壓引