力学因素对蘸笔纳米刻蚀技术的影响机制研究

在众多纳米加工技术中，蘸笔纳米刻蚀技术（Dip-pen Nanolithography，DPN）具有分辨率高，定位准确，直接书写等特点，在纳米电子学、分子马达、化学检测、单分子生化反应等领域得到广泛应用。但目前所有DPN技术都需要根据经验调节成像参数来实施，没有形成统一的规律。我们分析发现，DPN刻蚀过程中改变成像参数的共同结果是增加AFM针尖/基底间相互作用力；并根据AFM力曲线模式的特点发明了一种能自动控制刻蚀过程中针尖/基底间作用力的DPN技术；还发现针尖/基底的弹性模量对刻蚀结果也有影响。本项目拟采用我们发明的DPN技术，定量研究针尖/基底的力学性质以及它们间的作用力等因素影响刻蚀结果的规律，并结合理论分析阐明这些力学因素对DPN的影响机制，为深入理解DPN机理提供充足的理论和实验依据，为提高刻蚀结果的一致性提供新思路，推动纳米科技与电子、材料、生物和化学等学科领域的交叉和发展。

蘸笔纳米刻蚀技术作为一种分辨率高、定位准确的纳米加工技术，在纳米电子学、化学检测和单分子生化反应等领域得到广泛应用。在蘸笔纳米刻蚀技术中，人们通常采用硅（原子力显微镜）针尖和亲水修饰后的硅/金属基底等坚硬的材料，认为针尖/基底间作用力对刻蚀结果的影响可以忽略。我们在研究中发现，如果基底为柔软的硅橡胶材料，则刻蚀后形成的墨水点的直径随针尖/基底间作用力增大而增加。为此，我们发明了一种新的力模式蘸笔纳米刻蚀方法，即在力模式下实施蘸笔纳米刻蚀，其优点在于可以方便地通过软件直接控制针尖/基底间作用力和针尖在基底上的停留时间。基于该方法，在保持针尖在基底上的停留时间不变的条件下，我们通过控制针尖/基底间作用力，成功地在硅橡胶基底上刻蚀了一系列大小不同的墨水点，并利用静力学分析方法拟合了在不同作用力下针尖的压入深度与墨水点直径间的关系，结果显示，基底的形变改变了刻蚀结果。在实施力模式蘸笔纳米刻蚀技术的同时，我们还将针尖的偏折信号和扫描管的驱动电压随时间的变化曲线通过示波器显示并记录下来，结合AFM系统的硬件知识，分析了刻蚀过程中针尖与基底间的相互作用情况，并阐述了力模式蘸笔纳米刻蚀技术的机理。我们还对湿度控制系统和针尖夹具的结构进行了优化设计并申请了国家专利保护，并提出用闭环的扫描管以消除刻蚀过程中漂移的影响，以便更好地实施蘸笔纳米刻蚀技术。我们也尝试利用有限元方法对结果进行了分析，发现在刻蚀过程中无论针尖还是基底的形变都会改变刻蚀结果。本项目的实施为如何进一步提高蘸笔纳米刻蚀技术的可重复性提供了新的思路和理论实验依据，推动纳米科技在相关学科领域的交叉和发展。