一种利用镀膜拉锥光纤实现分子结电导测量的方法

技术领域

本发明属于一种可以同时实现分子结电导测量和研究光波导对分子电荷传输调控的装置和方法，具体涉及分子电子学、光纤传感和化学等领域。

背景技术

分子电子学在基础研究领域具有重要研究价值，不仅能在原子/分子尺度上探索物质的固有特性，还有望克服目前硅基电子器件日益小型化面临的挑战。对于单分子器件，如何有效调控其电子输运特性是重要的研究方向，传统实现对分子中电荷输运特性调控的方法有很多，比如电场调控、化学调控、光场调控等。其中，外加光场可实现非接触式调控，减小对原有测试环境的干扰，而传统外加光场的方法多为外搭空间光路，在分子结构处实现聚焦，即单分子结测试系统和光学系统为两个部分，不易结合。

扫描电子显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)裂结技术多用于形成和研究原子/分子的电学特性，该测试仪器稳定性好，功能丰富，装置简单易于操作，并且在实验中具有良好的重复性。

光纤作为一种光波导器件，光波在其中可实现全反射，可以作为光传输的工具，其具有衰减小、抗干扰能力强等优点。

本发明利用镀膜拉锥光纤实现分子结电导测量，在测试同时通过光纤激光器对光纤进行通光，即可在光纤针尖测试端输出光波导，实现了分子结电荷传输测量的同时进行光波调控，即电导测试和光波调控装置合二为一，减少了实验空间，为以后的集成提供了新思路。

发明内容

本发明主要是提供了一种新的利用镀膜光纤针尖代替扫描电子显微镜技术中传统金属针尖来测试分子电荷传输的方式，无需另加空间光路，在分子电荷传输测试中直接通过光纤针尖进行通光，研究光波导对分子电荷传输的调控作用。既可以实现多种实验用途节约空间，又将光纤传感与分子电荷传输性质研究相结合。

本发明所采用的实验方案是：一种利用镀膜拉锥光纤实现分子结电导测量的方法，其特征在于，包括扫描电子显微镜裂结装置、表面镀膜拉锥光纤针尖、镀膜硅片、点胶机针头、光纤耦合器、光纤激光器。其中光纤针尖和硅片都先在表层镀上一层2nm厚铬膜，再在镀好铬膜的光纤针尖和硅片上各镀50nm和200nm厚金膜。

上述利用光纤针尖实现分子结电导测量的方法，所述镀膜光纤针尖是利用光纤熔接机对剥去了涂覆层的光纤进行拉锥，形成尖端直径约2um的拉锥光纤，再利用等离子体溅射仪对拉锥光纤进行铬和金两种金属的先后溅射镀膜，即可获得镀膜的光纤针尖；将光纤针尖穿过点胶机针头，通过导电银胶固定；带有镀膜光纤针尖的点胶机针头利用强力快干胶粘上吸铁石，再通过吸铁石固定在扫描电子显微镜的压电陶瓷上，即可通过压电陶瓷带动光纤针尖进行上下移动；镀膜光纤未拉锥的一侧从点胶机针头导出，通过光纤耦合器连接到光纤激光器上进行通光；镀膜硅片固定在光纤针尖下方。

一种利用镀膜拉锥光纤实现分子结电导测量的方法，该方法具体步骤如下：基于扫描电子显微镜裂结装置，在光纤针尖和镀膜硅片之间外加偏置电压，当光纤针尖在扫描电子显微镜装置的压电陶瓷带动下，进行高精度的上下移动，即可与镀膜硅片上的金层进行连接和断裂，从而测得金原子的量子化电导值，再将分子溶液加在光纤针尖和镀膜硅片的连接处进行自组装，进行数据统计后便可测得目标分子的最大概率的电导值。当利用光纤激光器对光纤针尖进行通光时，即可在分子电导测试同时研究光波导对分子电荷传输的调控作用。

本发明的技术优点是：该方法利用光纤拉锥针尖代替传统纯金属电极实现分子结电导值测量，可以在测试过程中通过拉锥光纤进行加光，进行分子电荷传输的调控，且所加的光波导可以通过光纤针尖沿着分子结方向入射，入射光斑面积可以很好的受到光纤针尖约束，达到2um左右。另外，相对于传统空间光路加光来说，光纤波导也更加稳定，而且光强调节更加方便。

附图说明

为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1为利用拉锥光纤实现分子结电导测量的示意图。

图2为利用拉锥光纤系统测得的金原子结电导值统计直方图。

图3为利用拉锥光纤系统测得的4,4’-联吡啶在光纤通635nm波长光前后的电导值统计直方图。其中黑色虚线表示4,4’-联吡啶在光纤通光前测得的分子电导值，黑色实线为4,4’-联吡啶在光纤通光后测得的分子电导值。

图中：1是陶瓷压电，2是吸铁石，3是点胶机针头，4是光纤一端的镀膜拉锥针尖，5是硅片上的铬/金膜，6是硅片，7是分子溶液，8是外置偏压电路图，9是延伸出来的光纤另一端，10是光纤耦合器，11是光纤激光器的激光头，12是光纤激光器的电源系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例：用剥线钳剪切一截光纤，并剥去光纤表面涂覆层，用无尘纸沾取乙醇擦拭光纤表面，擦拭干净后置于光纤熔接机中，通过不断的放电拉伸光纤，得到两根光纤，其中一端为光纤熔接机拉出的针尖状(4)，另外一端则是剥线钳剪出的平口(9)，可用于后续通光。将拉锥好的光纤利用等离子体溅射仪进行镀膜，先镀一层约2nm厚的铬膜，再镀一层约50nm的金膜，将镀完膜的拉锥光纤放入点胶机针头(3)中，并用导电银胶固定，等导电银胶固化后，再利用快干胶将带有光纤针尖的点胶机针头上端粘上吸铁石(2)，等快干胶风干后，即可通过吸铁石将点胶机针头吸附到同样粘有吸铁石的陶瓷压电(1)上，至此即固定了上电极的光纤针尖。光纤另外一端(8)从点胶机针头上方引出，通过光纤耦合器(10)和光纤激光器的激光头(11)进行连接，实现后续通光功能。

硅片(6)在切割好后，先利用丙酮和乙醇在超声清洗机中进行清洗，再通过等离子体溅射仪进行镀膜，分别镀一层2nm厚铬膜和200nm厚金膜(5)，再将镀膜硅片固定在光纤针尖下方。

在镀膜光纤针尖和镀膜硅片之间加上偏压(7)构筑电导测量回路，利用压电系统精确带动光纤针尖进行上下移动，实现与底部电极的不断连接和断裂，即可测得金原子结的量子化电导值(图2)，再在连接处加上4,4’-联吡啶分子溶液(7)，则可观测得该分子统计电导值。当通过光纤激光器的电源系统(12)对光纤进行通光时，即可观测到光波导对4,4’-联吡啶分子电荷传输的调制作用(图3)，发现在外加光的调制下，4,4’-联吡啶分子的电导值有一定的增大，实现了光促进分子电荷隧穿效果。

虽然结合目前所做实验描述本发明，不过本发明不限于所公开的实施例，而意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内的等效方法。