CN105174202A - 利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用螺距差实现电极间的距离在皮米级的精度上连续变化的机械可控裂结装置及方法。本发明属于一种新型的机械可控裂结(MCBJ)装置，可运用于分子电子领域及传感器领域，利用同轴螺杆的不同螺距间微小螺距差作用于纳米劈裂装置芯片，可实现在皮米级精度上操纵两电极间的距离，从而实现单分子结的构筑，进而实现对单分子结特性的研究，为单分子器件的研制提供有价值的参考。

Description

利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置

技术领域

本发明涉及一种构筑纳米点电极对单分子结的机械装置，具体涉及分子电子学，微纳电子等领域。

背景技术

机械可控裂结装置以其优越的稳定性和精密控制性被广泛运用于分子开关、分子镇流器、分子场效应管等分子电子器件的研究与制造。现有技术是利用压电效应可以在纳米尺度上控制基板形变量，但是精密度仍然不足，并且存在低温压电材料驱动力不足的问题。另外，存在一种利用齿轮传动而实现机械可控裂结的装置，但是利用该原理制造的装置由于存在不可避免的齿隙，使得点电极对在连续变化方面达不到理想的要求。

为了解决低温、连续、高精度等方面的问题，本发明提出了利用步进电机驱动，结合螺杆螺距差发明并制造了一种可在低温下高精度的实现连续变化的机械可控裂结装置。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的低温、连续、高精度等方面的问题，提供一种新型机械可控裂结装置，利用同轴螺杆不同螺距间的螺距差，制造一种高精度、连续变化的机械可控裂结装置。

本发明采用的技术方案是：

一种利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置，其特征在于，包括顶罩、立柱、直线导轨、顶杆、上螺母、螺杆、上浮版、侧架板、下螺母、下浮板、联轴器、电机座、电机、底座和支杆；所述顶罩、两侧的立柱和底座固定连接成口字型框架结构，作为整个机械装置的骨架，主要起支撑整个机械装置的作用；所述直线导轨有两个，分别固定在立柱的内侧，所述侧架板分别活动安装在直线导轨上，用于保证侧架板在螺杆的推动下能够沿着直线导轨上下移动；所述下浮板固定在两个侧架板的下端，下浮板中间固定的螺母与螺杆的下端螺纹配合形成丝杠副；所述上浮板的两端固定在两侧直线导轨上的滑块上，通过中间固定的上螺母安装在螺杆的上端螺纹处并形成另一丝杠副；所述的螺杆的下端通过联轴器与安装在电机座内的电机连接，电机座安装在底座上，螺杆的上端安装有一个顶杆；两个侧架板的上端分别安装有一个支杆，两个支杆的下端和顶杆的上端之间用于放置纳米劈裂装置芯片。

当步进电机工作时，联轴器与螺杆一起随步进电机旋转，螺杆上端螺纹推动上浮板和顶杆移动，螺杆下端螺纹推动下浮板和侧架板移动。

所述上浮板与顶杆固定在一起，在螺杆上端螺纹的推动下一起移动；所述下浮板和侧架板固定在一起，在螺杆下端螺纹的推动下一起移动；所述上浮板与下浮板之间没有固定，分别在螺杆上端螺纹和下端螺纹的推动下以不同的速度移动。

所述螺杆正转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向上移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向上移动1mm；螺杆反转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向下移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向下移动1mm。

所述的纳米劈裂装置芯片包含一个悬空的纳米金桥，金桥最窄的中部横截面积为40nm×40nm，芯片的弯曲最终会使得金桥断裂，形成两个分开的针状纳米电极；通过弯曲或者舒展芯片能够增大或者缩小两电极间的距离；所述芯片，衰减因子r＝ΔZ/ΔX，ΔZ是芯片中心在Z方向上位移的变化量，ΔX是两电极间距离的变化量，衰减因子r能够达到1×10^-6，而芯片中心在竖直Z方向上的位移精度能够达到纳米级。本发明同时提供了一种使用所述的机械可控裂结装置构筑纳米电极对单分子结的方法，该方法具体步骤如下：

将纳米劈裂装置芯片贴在两端支杆的下端，顶杆正好支撑芯片的中间位置，芯片被两端支杆和顶杆三点夹住，启动步进电机工作，步进电机带动联轴器和螺杆一起旋转，在螺杆上端螺纹的推动下，上浮板和顶杆一起移动，在螺杆下端螺纹的推动下，下浮板和侧架板一起移动；当顶杆接触纳米劈裂装置芯片的底面时，纳米劈裂装置芯片开始受到顶杆和两端支杆之间的挤压力，纳米劈裂装置芯片在挤压力的作用下产生微小的弯曲形变，进而使纳米劈裂装置芯片断裂；通过控制步进电机的正转和反转，螺杆正转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向上移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向上移动1mm；螺杆反转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向下移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向下移动1mm，利用两端螺纹的螺距差可以实现皮米级精确控制纳米劈裂装置芯片断裂的间距，形成单分子结。

本发明优点和有益效果：

(1)本发明是利用步进电机驱动，驱动力受温度的影响小，克服了低温压电材料驱动不足的问题。

(2)本发明利用螺距差实现皮米级的机械可控裂结，由于螺纹是连续的，克服了利用齿轮嵌套不可连续变化的问题。

附图说明

图1为可实现皮米级连续变化的机械可控裂结(MCBJ)装置图。

附图标记：1、顶罩，2、立柱，3、直线导轨，4、顶杆，5、上螺母，6、螺杆，7、上浮板，8、侧架板，9、下螺母，10、下浮板，11、联轴器，12、电机座，13、电机，14、底座，15、支杆。

为了能更加清楚的理解本发明的技术特征、目的和效果,现对照附图说明本发明的具体实施方式。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置，该装置包括顶罩1、立柱2、直线导轨3、顶杆4、上螺母5、螺杆6、上浮版7、侧架板8、下螺母9、下浮板10、联轴器11、电机座12、电机13、底座14和支杆15；所述顶罩、两侧的立柱和底座固定连接成口字型框架结构，作为整个机械装置的骨架，主要起支撑整个机械装置的作用；所述直线导轨有两个，分别固定在立柱的内侧，所述侧架板分别活动安装在直线导轨上，用于保证侧架板在螺杆的推动下能够沿着直线导轨上下移动；所述下浮板固定在两个侧架板的下端，下浮板中间固定的下螺母与螺杆的下端螺纹配合形成丝杠副；所述上浮板的两端固定在两侧直线导轨上的滑块上，通过中间固定的上螺母安装在螺杆的上端螺纹处并形成另一丝杠副；所述的螺杆的下端通过联轴器与安装在电机座内的电机连接，电机座安装在底座上，螺杆的上端安装有一个顶杆；两个侧架板的上端分别安装有一个支杆，两个支杆的下端和顶杆的上端之间用于放置纳米劈裂装置芯片。

所述上浮板与顶杆固定在一起，在螺杆上端螺纹的推动下一起移动；所述下浮板和侧架板固定在一起，在螺杆下端螺纹的推动下一起移动；所述上浮板与下浮板之间没有固定，分别在螺杆上端螺纹和下端螺纹的推动下以不同的速度移动。

按照图1购置联轴器(11)(MCKL10-2-4)、直线导轨(3)(SSE2BS8-130)、步进电机(13)(Faulhaber直流电机)，组装装置，并将直流电机(13)与电脑连接。

将装置调到初始状态，即上浮板(7)和下浮板(10)处于最低位置，将制作好的纳米劈裂装置芯片夹在顶杆(4)与支杆(15)之间，用电脑控制直流电机(13)使电机以恒定速度转动，可以观察到下浮板(10)与侧架板(8)构成的整体与上浮板(7)之间相对位置发生变化，纳米劈裂装置芯片发生弯曲形变，形变量随着上下浮板的上升而逐渐变大，直至芯片上的纳米电极断裂形成纳米电极对，此时通过控制步进电机(13)的正转和反转，就可以高精度地、连续变化地调控纳米电极对的间距。

本发明相关的说明：

1.本发明中公开的所有特征、方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤外，均可以任何方式组合。

2.本发明中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。也就是说，除非特别说明，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子。

3.本发明中，为了保证实现皮米级的高精度调控，机械装置的材料采用的是高硬度的不锈钢材料，也可以采用其他高硬度材料。

Claims (4)

1.一种利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置，其特征在于，包括顶罩、立柱、直线导轨、顶杆、上螺母、螺杆、上浮版、侧架板、下螺母、下浮板、联轴器、电机座、电机、底座和支杆；所述顶罩、两侧的立柱和底座固定连接成口字型框架结构，作为整个机械装置的骨架，主要起支撑整个机械装置的作用；所述直线导轨有两个，分别固定在立柱的内侧，所述侧架板分别活动安装在直线导轨上，用于保证侧架板在螺杆的推动下能够沿着直线导轨上下移动；所述下浮板固定在两个侧架板的下端，下浮板中间固定的下螺母与螺杆的下端螺纹配合形成丝杠副；所述上浮板的两端固定在两侧直线导轨上的滑块上，通过中间固定的上螺母安装在螺杆的上端螺纹处并形成另一丝杠副；所述的螺杆的下端通过联轴器与安装在电机座内的电机连接，电机座安装在底座上，螺杆的上端安装有一个顶杆；两个侧架板的上端分别安装有一个支杆，两个支杆的下端和顶杆的上端之间用于放置纳米劈裂装置芯片；当步进电机工作时，联轴器与螺杆一起随步进电机旋转，螺杆上端螺纹推动上浮板和顶杆移动，螺杆下端螺纹推动下浮板和侧架板移动。

2.根据权利要求1所述的利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置，其特征在于，所述上浮板与顶杆固定在一起，在螺杆上端螺纹的推动下一起移动；所述下浮板和侧架板固定在一起，在螺杆下端螺纹的推动下一起移动；所述上浮板与下浮板之间没有固定，分别在螺杆上端螺纹和下端螺纹的推动下以不同的速度移动。

3.根据权利要求1所述的利用螺距差实现皮米级连续变化的机械可控裂结装置，其特征在于，所述螺杆正转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向上移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向上移动1mm；螺杆反转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向下移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向下移动1mm；

所述的纳米劈裂装置芯片包含一个悬空的纳米金桥，金桥最窄的中部横截面积为40nm×40nm，芯片的弯曲最终会使得金桥断裂，形成两个分开的针状纳米电极；通过弯曲或者舒展芯片能够增大或者缩小两电极间的距离；所述芯片，衰减因子r＝ΔZ/ΔX，ΔZ是芯片中心在Z方向上位移的变化量，ΔX是两电极间距离的变化量，衰减因子r能够达到1×10^-6，而芯片中心在竖直Z方向上的位移精度能够达到纳米级。

4.一种使用权利要求1所述的机械可控裂结装置构筑纳米电极对单分子结的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

将纳米劈裂装置芯片贴在两端支杆的下端，顶杆正好支撑芯片的中间位置，芯片被两端支杆和顶杆三点夹住，启动步进电机工作，步进电机带动联轴器和螺杆一起旋转，在螺杆上端螺纹的推动下，上浮板和顶杆一起移动，在螺杆下端螺纹的推动下，下浮板和侧架板一起移动；当顶杆接触纳米劈裂装置芯片的底面时，纳米劈裂装置芯片开始受到顶杆和两端支杆之间的挤压力，纳米劈裂装置芯片在挤压力的作用下产生微小的弯曲形变，进而使纳米劈裂装置芯片断裂；通过控制步进电机的正转和反转，螺杆正转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向上移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向上移动1mm；螺杆反转时，上端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和顶杆向下移动0.95mm，下端螺纹随螺杆旋转1周，推动上浮板和侧架板向下移动1mm，利用两端螺纹的螺距差可以实现皮米级精确控制纳米劈裂装置芯片断裂的间距，形成单分子结。