扫描探针显微镜 【技术领域】
本发明涉及一种扫描探针显微镜。
背景技术
可以用扫描探针显微镜来探查物质的表面状态。而且，可以按照从纳米尺寸到原子尺寸的数量级精确操纵原子和分子。因此，扫描探针显微镜在纳米技术中起着重要的作用。
然而，用常规的扫描探针显微镜只能测定物质表面的纵横比或类似特性，而不能测量物质的其他物理特性，例如磁特性。因此，扫描探针显微镜的应用受到了限制，从而不能用于生物化学领域。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种新的扫描探针显微镜，它能测定和探查物质的各种特性并能用于各种领域，诸如生物领域中。
为了实现上述目的，本发明所涉及的扫描探针显微镜由以下部分组成：
悬臂，
形成于悬臂上的探针，以及
位于探针最前端的碳纳米管(nanotube)，它具有椅型晶体结构和导电特性。
本发明还涉及一种扫描探针显微镜，它由以下部分组成：
悬臂，
形成于悬臂上的探针，以及
位于探针最前端的碳纳米管，它的前端由改性分子化学地改性(modify)并取代。
在本发明的扫描探针显微镜中，碳纳米管位于探针的最前端，该探针由硅材料或类似的材料构成，因此实际所使用的探针是由此产生的复合型探针。由于将碳纳米管地直径设置在0.4-50mm范围内，因此可用此扫描探针显微镜来测定和探查物质的细微结构。
在本发明的第一种扫描探针显微镜中，构成探针的碳纳米管具如图1所示的椅型晶体结构。这样的碳纳米管趋于表现金属特性，因而具有导电性。
因此，如果利用碳纳米管的量子传导，则可以精确测量和探查物质的物理特性。碳纳米管可与自旋极化(spin-polarization)电子束源连接，该电子束源可由以下材料构成：铁磁材料，例如Fe、超导材料，例如在强磁场力作用下自旋的Al薄片(split)，或半导体材料，例如由光激发的GaAs。如果碳纳米管与电子源相连，则电子射入给定的磁性物质中，然后检测从该磁性物质中流出的隧道电流或轨道电子发射电流。如此，通过隧道电流或轨道电子发射电流可以研究磁性物质的磁结构或空间分布，例如自旋极化。
在本发明的第二种扫描探针显微镜中，碳纳米管的最前端由改性分子改性。因此，通过适当选择改性分子的种类和数量，可使最终产生的扫描探针显微镜用于各种领域，例如生物化学领域。
【附图说明】
为了更好理解本发明，请参见附图，其中
图1是椅型碳纳米管晶体结构示意图，
图2是根据本发明的扫描探针显微镜主要部分侧视示意图，
图3是如图2中所示的扫描探针显微镜从底面看的底平面图，
图4是根据本发明的另一扫描探针显微镜的示意图，
图5是根据本发明的一种扫描探针显微镜中的碳纳米管的示意图，该碳纳米管的最前端由过渡金属复合分子改性，以及
图6是扫描探针显微镜中的另一碳纳米管示意图，该碳纳米管的最前端由自由基分子改性。
【具体实施方式】
现参照附图对本发明作详细描述。图2是根据本发明的扫描探针显微镜主要部分侧视示意图，图3是图2中所示的扫描探针显微镜从底面看的底平面图。如图2、3所示，根据本发明的扫描探针显微镜包括：悬臂1，位于悬臂1上由硅材料制成的探针2，和位于探针2的最前端的碳纳米管3。因此，探针2和碳纳米管3构成了复合型探针。
在本发明的第一种扫描探针显微镜中，需要碳纳米管3具有如图1所示的椅型晶体结构。这样，可以利用碳纳米管3的量子传导来进行测量和探查。
图4示出自旋极化电子束源连接于图2和3所示的碳纳米管3上的状态。如图4中所示，自旋极化电子束源5设置在碳纳米管3的后部。该电子束源5由铁磁性金属部件6，例如Fe制成，用于激磁的线圈缠绕在部件6上。
在线圈7中流过给定电流以将铁磁性元件6磁化，自旋电子从碳纳米管3射入置于碳纳米管3对面的给定磁性物质S中。然后，检测从磁性物质S中流出的隧道电流或轨道电子发射电流，从而测定磁性物质S的磁阻。结果，通过检测到的隧道电流或轨道电子发射电流可以测定和探查磁性物质S的表面磁结构或空间分布(例如自旋极化)。
另外，当线圈7中流过的电流反向时，铁磁性金属部件6也反向磁化，以便可以发射具有相反自旋方向的自旋电子。
自旋极化电子束源5可由超导材料，例如在强磁场力作用下自旋的Al薄片，半导体材料，例如由光激发的GaAs制成。
在本发明的第二种扫描探针显微镜中，需要将图2和3所示的碳纳米管3的最前端进行化学改性。这样，位于碳纳米管3最前端的碳原子由改性分子取代。可以根据待测量和探查物质的种类和该物质的物理特性适当选择改性分子的种类和数量。因此，第二种扫描探针显微镜可应用于各种领域，诸如生物化学领域，如上所述的常规扫描探针显微镜不能应用这些领域。
在第二种扫描探针显微镜中，并不总需要碳纳米管能导电。因此，碳纳米管除具有椅型晶体结构外，还可以具有之字型(zigzag type)晶体结构或手性型晶体结构。
图5是其前端经过渡金属复合分子化学改性的碳纳米管的晶体结构示意图。如图5所示，在其最前端碳纳米管的碳原子A由过渡金属复合分子B部分取代。
因此，如果利用直径为0.4-50nm的碳纳米管的微小结构和复合分子B的物理特性，可以原子尺寸的数量级通过基于磁性物质的磁偶极子相互作用或交换相互作用的相互作用力来检测和探查磁性物质的表面磁结构。
过渡金属复合物例如可以是铁酞菁(phthalocyanine)，镍酞菁，钴酞菁，铁卟啉，镍卟啉，钴卟啉，Fe-TMHD和Ni-TMHD。最好使用铁酞菁，因为它易于得到和被改性。
图6是其最前端经自由基分子化学改性的碳纳米管晶体结构示意图。这样，在其最前端碳纳米管的碳原子A由自由基分子C部分取代。该术语“自由基分子”为包括自由基族的分子的总称。
如果采用其最前端经自由基分子改性的碳纳米管，可以利用构成自由基分子的不成对电子来测量磁特性。因此，当碳纳米管位于磁性物质表面附近，并且检测磁性物质的磁偶极子相互作用或交换相互作用时，就可以按原子尺寸的数量级探查磁性物质表面的磁结构。
如果利用自由基分子的自由基族与给定物质之间的反应来检测给定的物理值那么就可以测定和探查物质的特定物理性质。
自由基分子例如可以是：TTF型四自由基供体分子，硝酰自由基，N-羟基四甲基哌啶衍生物，和N-羟基二甲基噁唑烷。最好使用TTF型四自由基供体分子，因为它易于得到和被改性。
碳纳米管的最前端可以由抗体分子来改性和取代。在这种情况下，抗体分子显示对给定抗原分子巨大的抗体-抗原作用，于是可以利用该抗体-抗原反应来测定抗原分子在特定生物体中的分布。例如，通过测定给定的物理值，如抗体-抗原反应中的相互作用力，就可以检测抗原原子的分布。
而且，碳纳米管的最前端可以由构成DNA的鸟嘌呤分子或腺嘌呤分子改性和取代。鸟嘌呤分子和腺嘌呤分子与胞嘧啶分子或胸腺嘧啶分子之间强烈相互作用。因此，如果测定一物理值，例如相互作用中的化学结合力，就可以按分子尺寸的数量级检测胞嘧啶分子和胸腺嘧啶分子的分布。
相反，可以由构成DNA的胞嘧啶分子或胸腺嘧啶分子来改性碳纳米管的最前端。这样，可按分子尺寸测定鸟嘌呤分子或胸腺嘧啶分子的分布。
此外，可以由构成RNA的胸腺嘧啶分子或尿嘧啶分子来改性碳纳米管的最前端。这样，可以分子尺寸的数量级检测尿嘧啶分子或胸腺嘧啶分子的分布。
如图2和3所示的本发明的扫描探针显微镜按如下步骤制成：首先，利用腐蚀性气体，例如SF6来蚀刻由硅材料制成的基底，以使悬臂1和探针2形成一体。然后，含有金属离子，例如Fe离子或Cr离子的甲醇溶液催化剂通过旋涂(spin coating)的方式涂覆于探针2的最前端。接着，将悬臂1和探针2放于炉中，并在600-1200℃条件下加热。
然后，甲烷气体与涂覆的甲醇溶液触媒接触。这样，汽相生长沿探针2的侧壁发生以形成导电椅型碳纳米管3。
此处，通过汽相生长法或电弧放电法制成多个碳纳米管，然后通过电渗的方式将这些碳纳米管排成刀口形状，以便在SEM的观察下用粘合剂将这些纳米管与探针2连接。碳纳米管通过碳覆膜与探针2连接，该膜用电子束沉积法形成以使之覆盖在碳纳米管的边缘部分。
在本发明的第二种扫描探针显微镜中，碳纳米管的最前端与含上述改性分子的溶液或气体接触，从而被这些改性分子化学地改性和取代。
如图5所示，在此例中碳纳米管的最前端由过渡金属复合分子改性和取代，该最前端与由有机溶剂构成的有机溶液接触，例如其中含有乙醇和铁酞菁的有机溶液。
如图6所示，在此例中碳纳米管的最前端由自由基分子改性和取代，该最前端与由有机溶剂构成的有机溶液接触，例如其中含有乙醇和TTF型四自由基供体分子的有机溶液。当碳纳米管的最前端由抗体分子、鸟嘌呤分子或腺嘌呤分子改性时，根据待测定和探查的物质种类适当地选择其中含有这些改性分子的特定溶剂，从而测定和探查该物质的物理特性。
碳纳米管最前端的改性可以不用溶液或气体而如下进行。首先，通过光学镊子将特定的改性分子传送到碳纳米管的最前端。然后，碳纳米管的最前端与改性分子在作为辅助方式的光辐射作用下进行化学反应，以便用改性分子进行改性。
虽然本发明参照以上实施例进行了详细描述，但本发明不局限于上述公开的内容，在不背离本发明的范围的情况下，还可以做出各种改变和调整。
在本发明的扫描探针显微镜中，碳纳米管具有椅型晶体结构或其最前端由特定改性分子进行化学改性。因此，可以在细微尺寸范围内通过碳纳米管的导电性和改性分子的物理特性来测定和探查各种物质的各种物理特性。