[发明专利]基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂及应用

权利要求书

1.一种基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，其特征在于，包括一个AFM探针针尖(1)并附着于一个悬臂梁(4)上；至少一组附着于悬臂梁(4)表面的纳米粒子点阵(3)；至少一对位于悬臂梁表面用于测量所述纳米粒子点阵(3)电阻值的微电极(2)；纳米粒子电子点阵以及电极印刷在微悬臂上，当微悬臂因与样品作用发生弯曲时，印刷在微悬臂背面的纳米粒子点阵间距也发生了变化，引起纳米粒子点阵电导的变化；检测这一电导变化，就能检测悬臂的弯曲，相应的检测针尖-样品的局部距离。

2.根据权利要求1所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，其特征在于，悬臂梁(4)的横截面为矩形或圆、椭圆均可；悬臂梁(4)的制作材料为氮化硅(Si₃N₄)，其弹性模量约为E=35000±10000MPa，假定悬臂梁(4)的结构尺寸为：L=200±50μm，h=7±4μm，b=40±10μm。

3.根据权利要求1所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，其特征在于，至少一对微电极(2)与纳米粒子点阵(3)附着于AFM悬臂梁(4)，纳米粒子点阵(3)位于微电极(2)之间，其量子隧穿电导能通过外部检测仪器被探测到。

4.根据权利要求1所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，其特征在于微电极(2)使用金，电极和纳米粒子点阵的结构、尺寸以及在悬臂梁上所处的位置在针尖左右的臂长位置。

5.根据权利要求1所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，其特征在于通过控制纳米粒子覆盖率的方式有效调控纳米粒子点阵(3)的电子输运性质；纳米粒子覆盖率范围在10～80%，纳米粒子的直径范围是1～500nm。

6.基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，包括一个AFM探针针尖(1)并附着于一个悬臂梁(4)上；至少一组附着于悬臂梁(4)表面的纳米粒子点阵(3)；至少一对位于悬臂梁表面用于测量所述纳米粒子点阵(3)电阻值的微电极(2)；纳米粒子电子点阵以及电极印刷在微悬臂上，当微悬臂因与样品作用发生弯曲时，印刷在微悬臂背面的纳米粒子点阵间距也发生了变化，引起纳米粒子点阵电导的变化；检测这一电导变化，就检测悬臂的弯曲，相应的检测针尖-样品的局部距离。

7.根据权利要求6所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，其特征是其中所述纳米粒子点阵(3)中隧穿输运是主要的导电形式。

8.根据权利要求6所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，其特征是其中所述纳米粒子点阵(3)的纳米粒子数密度应大于渗流阈值，使其电阻(或电导)能被外部电学仪表测量。

9.根据权利要求6所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，其特征是其中所述微电极(2)具有足够强的导电能力，且能稳定粘附在悬臂梁(4)表面，在悬臂梁(4)高频振动是具有良好的机械稳定性，能作为纳米粒子点阵(3)的有效电学信号转换介质。

10.根据权利要求6所述的基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，其特征在于，其中所述悬臂梁(4)用Si₃N₄材料制备，其尺寸、形状和结构将影响到AFM探针的测量范围，同时还会影响到纳米粒子点阵(3)的测量灵敏度。即AFM探针的量程和灵敏度可以通过改变悬臂梁(4)的结构尺寸而进行调整。

得到纳米粒子点阵(3)的阻值R和原子力探针针尖与样品间的距离r之间的关系，即R∝4λR₀δ(-12d¹²r^-13+6d⁶r^-7)；即

得到样品表面原子力探针针尖与样品间的距离r后，通过二维扫描其整个样品表面，就知道样品表面的结构信息；

d为原子直径10^-10量级，单位为米，r为原子力探针针尖与样品间的距离，δ为势垒深度,悬臂梁垂直于轴向的截面宽度和高度分别为b和h，针尖到悬臂梁末端的水平距离为L，悬臂梁的弹性模量为E，纳米粒子点阵的初始电阻为R₀，实时电阻值为R，灵敏度系数为K。