[发明专利]纳米尺度静电场的构筑方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及静电场的构筑方法及装置，尤其涉及纳米尺度静电场的构筑方法和装置。

背景技术

根据静电场对带电体有力的作用的原理，人们发明了一系列基于静电场的静电技术，并广泛应用于信息工程、空间技术、大规模集成电路、环境保护、生物技术、选矿和物质分离、纺织印染等各个领域。静电场是静电技术的基础和核心。目前，静电场的构筑通常是把金属电极接在电源的两极来实现的，静电场位于两金属电极之间，尺寸在微米以上。随着器件的小型化、智能化、高集成、高精密度的发展，势必要求静电场的尺寸越来越小，而目前的静电场构筑方法较难满足其尺寸的微型化发展需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种纳米尺度静电场的构筑方法和装置，能够实现纳米尺度电场强度的连续可调和任意操纵，方法简单；还可以重复写入注入电荷，获得不同空间分布的静电场，经济节约。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：首先使用一个或多个曲率半径为纳米级的接地探针，通过直流电场把大地中的自由电荷注入到绝缘材料表面的一个或多个目标位，并局域于此，形成纳米尺度的点电荷分布图案；然后去掉直流电，使探针接近上述已注入自由电荷的绝缘体表面，在探针和绝缘体表面之间形成静电场（静电场由第一步注入绝缘体的自由电荷激发）。

具体的说，纳米尺度静电场的构筑方法，包括以下步骤：

（1）选取曲率半径为纳米级的导电探针和具备下电极的绝缘材料；

（2）将具备下电极的绝缘材料固定于工作台上，下电极与外部程控直流电源相连接；导电探针设置于绝缘材料上表面，所述探针固定在微悬臂上，且接地；

（3）工作台和外部程控直流电源同时由程控驱动装置控制，通过程控驱动装置设定探针在绝缘材料上表面相对移动的路径及速度、注入电荷的位置、注入电荷位置处所需施加的直流电压以及脉冲时间、探针路径上和注入电荷位置处探针与薄膜表面的接触程度，并运行之，在注入电荷目标位探针和下电极间形成电场，在该电场力的作用下大地中的自由电荷被注入该目标位；

（4）将外部程控直流电源的电压设定为0，根据探针尺寸和按步骤（3）中构筑的注入电荷点阵的分布，通过程控驱动装置设定使探针和绝缘材料间由注入电荷激发的电场强度达到目标值时探针所在的位置和状态，以及到达该位置的方式；其基本原则是：避免探针与注入电荷接触；电场强度目标值确定的情况下，注入电荷电势越高（低）或探针曲率半径越小（大），探针与绝缘表面接触越弱（强）。

（5）探针运行至目标位，纳米尺度的静电场构筑完成。

所述探针上方设有监控探针位置及其受力程度的光学系统，光学系统把探测到的信息经锁相放大系统输送到反馈系统，反馈系统和程控驱动装置相连。

一种纳米尺度静电场的构筑装置，包括一工作台，工作台上放置有具备下电极的绝缘材料，绝缘材料的上表面垂直设置有半径为纳米尺度的导电探针，导电探针固定在微悬臂上，且接地，微悬臂的力常数为0.12～40N/m，；所述工作台由程控驱动装置驱动，所述下电极与受控于程控驱动装置的外部程控直流电源相连接，探针上方设有监控探针位置及其受力程度的光学系统，光学系统把探测到的信息经锁相放大系统输送到反馈系统，反馈系统和程控驱动装置相连。

所述探针的曲率半径为10纳米。

绝缘材料为经抛光的BaTiO₃、SrTiO₃或CaCu₃Ti₄O₁₂等单晶薄片，或几十至几百纳米厚的这些材料的薄膜等。

本发明带来的有益效果为：

(1) 探针与绝缘材料表面间电场集中在纳米数量级；

(2) 通过移动探针位置，可获得电场强度连续变化的纳米尺度静电场；

(3) 纳米尺度精确控制静电场的位置；

(4) 纳米尺度任意调控静电场的分布，方法简单；

(5) 可重复写入注入电荷，获得不同空间分布的静电场，经济节约；

(6) 大大节约电力能源。

附图说明

图1为纳米尺度静电场的构筑装置示意图；

图2为探针移动路径示意图。

图中，1.程控驱动装置，2.工作台，3.下电极，4.外部程控直流电源，5.绝缘材料，6.微悬臂，7.探针，8.光学系统，9.锁相放大系统，10.反馈系统，11.注入电荷位置，12.探针移动路径。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。