TWI630397B - 測量奈米結構表面電荷分佈的方法 - Google Patents

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Abstract

一種觀測奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S1，提供一 奈米結構；S2，在該奈米結構的表面形成一層帶電奈米微粒；S3，向該奈米結構表面通入蒸氣；及S4，利用光學顯微鏡觀測所述帶電奈米微粒的分佈情況，判斷所述奈米結構的表面電荷分佈。

Description

測量奈米結構表面電荷分佈的方法
本發明屬於奈米技術領域，涉及一種測量奈米結構表面電荷分佈的方法。
奈米結構(Nanostructure)通常指尺寸在100nm以下的微小結構，也就係以奈米尺度的物質單元為基礎，按一定規律構築或組裝一種新的體系。奈米技術係以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，其目的在於研究於奈米尺度上，物質和設備的設計方法、組成、特性及應用，目前在材料和製備、微電子和電腦技術、醫學與健康、航太和航空、環境和能源、生物技術和農產品等領域有許多重要的應用。表面電荷(Surface charge)即在介面處存在的電荷。先前技術中通常利用靜電力顯微鏡(Electrostatic Force Microscopy,EFM)來表徵各種奈米結構材料(如奈米碳管)表面靜電勢能、電荷分佈。然而上述觀測儀器結構複雜，操作並不十分容易，且需要花費較長時間，成本較高。
有鑒於此，提供一種能夠簡便高效的觀測奈米結構表面電荷分佈的方法實為必要。
一種測量奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S1，提供一具有奈米結構的待測樣品，該待觀測樣品設置於一絕緣基底表面；S2，向該待測樣品表面噴射第一帶電奈米微粒； S3，向該待測樣品表面通入蒸氣，利用光學顯微鏡觀測所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品周邊的分佈情況，若所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成一暗線，則記錄該暗線的寬度並執行步驟S6，否則執行步驟S4；S4，向該待測樣品表面噴射第二帶電奈米微粒，該第二帶電奈米微粒與所述第一帶電奈米微粒電性相反；S5，向該待測樣品表面通入蒸氣，記錄所述第二帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成的暗線的寬度；S6，根據公式w=((Fc/32(U-U0)D2)In((2D/d)/21/εr))-1/3計算所述待測樣品的電壓，其中w為暗線寬度，U為所述待測樣品的電壓，Fc為帶電奈米微粒噴射氣流在基底處產生的壓力，U0為閾值電壓，D為基底介質層厚度，d為待測樣品直徑，εr為基底介質層介電常數。
一種觀測奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S11，提供一待測樣品，該待觀測樣品具有奈米結構；S12，提供一光學顯微鏡系統，該光學顯微鏡系統包括一光學顯微鏡及光學顯微鏡的輔助裝置，該光學顯微鏡包括物鏡及載物台，該光學顯微鏡的輔助裝置包括一鼓氣部、一蒸氣發生部及一導汽管，所述述鼓氣部與所述蒸氣發生部的一端相互連接，所述蒸氣發生部的另一端與所述導汽管連接，所述鼓氣部向所述蒸氣發生部通入氣體，從而將所述蒸氣發生部產生的蒸氣帶入導汽管中；S13，將所述待測樣品放置在所述載物臺上，向該待測樣品表面噴射第一帶電奈米微粒；S14，利用所述光學顯微鏡的輔助裝置向所述待測樣品表面通入蒸氣，同時利用所述光學顯微鏡觀測所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品周邊的分佈情況，若所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成一暗線，則記錄該暗線的寬度並執行步驟S16，否則執行步驟S15； S15，向該待測樣品表面噴射第二帶電奈米微粒，該第二帶電奈米微粒與所述第一帶電奈米微粒電性相反；S16，向該待測樣品表面通入蒸氣，記錄所述第二帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成的暗線的寬度；S6，根據公式w=((Fc/32(U-U0)D2)In((2D/d)/21/εr))-1/3計算所述待測樣品的電壓，其中w為暗線寬度，U為所述待測樣品的電壓，Fc為帶電奈米微粒噴射氣流在基底處產生的壓力，U0為閾值電壓，D為基底介質層厚度，d為待測樣品直徑，εr為基底介質層介電常數。
與先前技術相比，本發明提供的測量奈米結構表面電荷分佈的方法通過在被測奈米結構表面通入易揮發液體的蒸氣，在被觀測奈米結構表面及奈米微粒表面形成大量的液滴，從而使得該被測奈米結構及帶電奈米微粒的輪廓清晰的被光學顯微鏡捕捉到，進而通過觀測帶電奈米微粒在待測奈米結構周邊的分佈情況判斷所述待測奈米結構的表面電荷分佈情況。利用本發明提供的方法可以更加高效、簡便、低成本的獲得奈米結構表面電荷分佈情況。
10‧‧‧光學顯微鏡
110‧‧‧載物台
120‧‧‧物鏡
130‧‧‧目鏡
140‧‧‧圖像採集系統
142‧‧‧接收器
144‧‧‧影像處理器
150‧‧‧聚光照明系統
160‧‧‧調焦機構
20‧‧‧蒸氣提供裝置
210‧‧‧鼓氣部
220‧‧‧蒸氣發生部
221‧‧‧電極
222‧‧‧液體吸收材料
224‧‧‧空心管
226‧‧‧加熱層
228‧‧‧電源
230‧‧‧導汽管
231‧‧‧第一開口
235‧‧‧第二開口
240‧‧‧第一導管
60‧‧‧待測樣品
610‧‧‧基底
612‧‧‧電極
620‧‧‧第一帶電奈米微粒
圖1為本發明第一實施例提供的觀測奈米結構表面電荷分佈方法流程圖。
圖2為本發明實施例中使用的蒸氣提供裝置結構示意圖。
圖3為本發明實施例中另一種蒸氣提供裝置結構示意圖。
圖4為本發明實施例中使用的的光學顯微鏡及蒸氣提供裝置結構示意圖。
圖5為利用本發明第一實施例提供的觀測方法獲得的超長奈米碳管在光學顯微鏡下的照片。
圖6為圖5中超長奈米碳管的掃描電鏡(SEM)照片。
圖7為本發明第二實施例提供的測量奈米結構表面電荷分佈方法示意圖。
圖8為利用本發明第二實施例提供的測量方法獲得的超長奈米碳管在光學顯微鏡下的照片。
圖9為本發明第二實施例中暗線寬度隨施加電壓變化關係曲線。
圖10為本發明第二實施例中暗線寬度隨絕緣層厚度變化關係曲線。
圖11為本發明第三實施例提供的製備帶電奈米微粒的裝置示意圖。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的闡述。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的闡述。
請一併參閱圖1、圖2與圖4，本發明第一實施例提供一種觀測奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S11，提供一待測樣品60，該待測樣品60具有奈米結構，該待觀測樣品設置於一絕緣基底610表面；S12，向該待測樣品60表面噴射第一帶電奈米微粒620；S13，向該待測樣品60表面通入蒸氣，利用光學顯微鏡10觀測所述第一帶電奈米微粒620在所述待測樣品60周邊的分佈情況，根據該分佈情況判斷所述待測樣品60表面電荷分佈。
步驟S11中，該待測樣品60具有奈米結構指的係所述待測樣品60可以為奈米材料，也可以為為奈米圖形化的電路。例如，所述待測樣品60可以為零維奈米材料、一維奈米材料及二維奈米材料。所述零維奈米材料包括：團簇、人造原子、奈米微粒等。所述一維奈米材料包括：奈米線、奈米管、奈米棒、奈米纖維等。所述二維奈米材料可以為石墨烯。本實施例中以奈米碳管為例進行說明。所述奈米碳管為水準鋪設在基底610表面的超長奈米碳管，該超長奈米碳管的直徑在0.5nm~10nm之間，長度大於50μm。所述待測樣品60可以直接生長在基底610表面，也可以係從其他部位轉移到所述基底610表面。
所述基底610由絕緣材料製成，以防止所述待測樣品60與基底610之間發生電荷轉移。本實施例中，所述基底610為矽片，該矽片的表面形成有厚約1微米二氧化矽層。
步驟S12中，所述第一帶電奈米微粒620在待測樣品60各個部位的噴射量基本相等。所述第一帶電奈米微粒620的直徑可以為0.5nm-5nm。所述第一帶電奈米微粒620全部帶正電，或者全部帶負電。所述第一帶電奈米微粒620的優選為不易昇華的晶體，例如可以為帶電葡萄糖奈米微粒、帶電蔗糖奈米微粒、帶電金屬鹽奈米微粒等。所述帶電金屬鹽奈米微粒可以為金屬Na、K、Ca、Fe等的氯鹽、硝酸鹽、硫酸鹽微粒。本實施例中為帶電NaCl奈米微粒。
步驟S13中，產生所述蒸氣的液體可以係水，也可以係沸點低於水的沸點的液體，如酒精。本實施例中，該產生蒸氣的液體係水，產生的蒸氣係水蒸氣。所述蒸氣將在待觀測樣品表面及奈米微粒表面形成大量的微小液體顆粒，此時該被測奈米結構及帶電奈米微粒的輪廓可以清晰的被光學顯微鏡捕捉到。在數秒之後所述微小液體顆粒迅速蒸發，因此不會影響待測樣品的結構。
所述蒸氣的提供方法不限，本實施例進一步提供一種蒸氣提供裝置20，利用該蒸氣提供裝置20向所述待測樣品表面通入蒸氣。請參見圖2，該蒸氣提供裝置20包括：一鼓氣部210、一蒸氣發生部220及一導汽管230。該蒸氣提供裝置20的所述鼓氣部210與所述蒸氣發生部220的一端相互連接。所述蒸氣發生部220的另一端與所述導汽管230連接。所述鼓氣部210向所述蒸氣發生部220通入氣體，從而將蒸氣發生部220產生的蒸氣帶入導汽管230中。
所述鼓氣部210可以為具有彈性的空囊，可以通過收縮將外界的空氣吸入並排出。所述鼓氣部210具有一個出氣口，該出氣口可以與所述蒸氣發生部220密封連接，並可以使氣體通過所述蒸氣發生部220。當該鼓氣部210被擠壓收縮時，鼓氣部210內的氣體通過所述蒸氣發生部220排出；當擠壓後的鼓氣部210恢復形狀膨脹時，外界氣體穿過蒸氣發生部220進入該鼓氣部210。本實施例中，所述鼓氣部210為吸耳球，直徑約5厘米。
所述蒸氣發生部220包括一液體吸收材料222、一空心管224、一加熱層226及一電源228。所述液體吸收材料222設置在所述空心管224的內部，可以貼附在所述空心管224的內壁，但並不影響該空心管224的通氣性能。所述 加熱層226環繞所述空心管224的外表面設置。所述電源228通過導線與所述加熱層226電連接，從而給所述加熱層226通電，使之發熱來加熱所述空心管224。
所述空心管224的材料不限，可為硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、石英等。所述柔性材料包括樹脂、橡膠、塑膠或柔性纖維等。所述空心管224為柔性材料時，該蒸氣發生部220在使用時可根據需要彎折成任意形狀。所述空心管224的形狀大小不限，其具有一空心結構即可，其具體可根據實際需要進行改變。該空心管224的橫截面的形狀亦不限，可以為圓形、弧形、長方形等。本實施例中，空心管224為一空心陶瓷管，其橫截面為一圓形，該空心陶瓷管的直徑為1厘米，長度為6厘米。
所述液體吸收材料222用於存儲一定量的液體，當所述空心管224被加熱時，熱量傳遞到液體吸收材料222上時，液體變成蒸氣，從而可以產生蒸氣。所述液體吸收材料222應該具有較好的液體吸收性能，並且吸收液體後形變較小。所述液體吸收材料222的材料可以為棉布、無紡布及高級吸水性樹脂。本實施例中，所述液體吸收材料222為無紡布，貼附在所述空心管224的內壁。
所述加熱層226設置於所述空心管224的外表面，用於向所述空心管224的內部空間加熱，從而可以加熱所述液體吸收材料222。所述加熱層226包括一奈米碳管層，該奈米碳管層本身具有一定的黏性，可以利用本身的黏性設置於所述空心管224的外表面，也可以通過黏結劑設置於所述空心管224的外表面。所述的黏結劑為矽膠。該奈米碳管層的長度、寬度和厚度不限，可根據實際需要選擇。本技術方案提供的奈米碳管層的厚度為0.01微米~2毫米。可以理解，奈米碳管層的熱回應速度與其厚度有關。在相同面積的情況下，奈米碳管層的厚度越大，熱回應速度越慢；反之，奈米碳管層的厚度越小，熱回應速度越快。
所述奈米碳管層包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管層中的奈米碳管有序排列或無序排列。該奈米碳管層中的奈米碳管包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米~10奈米，雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米~15奈米，多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米~50奈米。所述奈米碳管的長度大於50微米。本實施例中，該奈米碳管的長度優選為200~900微米。由於該奈米碳管層中的奈米碳管之間通 過凡得瓦力連接，使得該奈米碳管層具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂，使該蒸氣發生部220具有較長的使用壽命。
本實施例中，所述加熱層226採用厚度為100微米的奈米碳管層。該奈米碳管層的長度為5厘米，奈米碳管層的寬度為3厘米。利用奈米碳管層本身的黏性，將該奈米碳管層設置於所述加熱層226的外表面。
另，蒸氣發生部220可以進一步包括兩個電極221間隔設置於所述加熱層226表面，並與所述加熱層226電連接。所述電極221由導電材料製成，形狀不限，可為導電膜、金屬片或者金屬引線。優選地，所述電極221為一層導電膜，該導電膜的厚度為0.5奈米~100微米。該導電膜的材料可以為金屬、合金、銦錫氧化物(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導電銀膠、導電聚合物或導電性奈米碳管等。該金屬或合金材料可以為鋁、銅、鎢、鉬、金、鈦、釹、鈀、銫或其任意組合的合金。本實施例中，所述電極221的材料為金屬鈀膜，厚度為20奈米。所述金屬鈀與奈米碳管具有較好的潤濕效果，有利於所述電極221與所述加熱層226之間形成良好的電接觸，減少歐姆接觸電阻。
所述電源228可以為直流電源或者交流電源。通過導線與所述加熱層226的兩個電極221電連接，當給所述加熱層226通電時，該加熱層226可以輻射出波長較長的電磁波。通過溫度測量儀測量發現該加熱層226的表面的溫度為50℃~500℃，從而可以加熱設置在空心管224中的液體吸收材料222。該液體吸收材料222中的液體加熱後蒸發，從而產生蒸氣。本實施例中，該電源為1.5伏特的5號電池。
可以理解，所述蒸氣發生部220可以進一步包括一絕緣保護層202。所述絕緣保護層202用來防止蒸氣發生部220在使用時與外界形成電接觸，同時還可以保護蒸氣發生部220中的加熱層226。所述絕緣保護層202設置於加熱層226的外表面。可以理解，所述絕緣保護層202為一可選擇結構。當加熱層226本身帶有絕緣保護層時，可無需絕緣保護層202。所述絕緣保護層202的材料為一絕緣材料，如：橡膠、樹脂等。所述絕緣保護層202厚度不限，可以根據實際情況選擇。優選地，該絕緣保護層的厚度為0.5~2毫米。
所述導汽管230具有一個第一開口231和一個第二開口235，所述第一開口231的直徑小於所述第二開口235的直徑。氣體可以通過所述第一開口231和所述第二開口235在所述導汽管230內流通。該導汽管230的第二開口235 與所述蒸氣發生部220遠離所述鼓氣部210的一端密封連接。氣體可以通過所述導汽管230及所述蒸氣發生部220進入所述鼓氣部210。該導汽管230的第二開口235的直徑不限，只要和所述蒸氣發生部220相互匹配並保證密封連通即可。該導汽管230的材料不限，可為硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑膠等。所述柔性材料包括樹脂、橡膠、塑膠或柔性纖維等。本實施例中導汽管230為玻璃管，其第一開口231的截面為圓形，直徑為0.4厘米，其第二開口235的截面為圓形，直徑為0.9厘米。
可以理解，該蒸氣提供裝置20的所述鼓氣部210、所述蒸氣發生部220、及所述導汽管230相互密閉連接成一個整體。當鼓氣部210受到外界壓力收縮時，鼓氣部210內部的氣體被擠壓從而穿過蒸氣發生部220及導汽管230，從導汽管230的第一開口231噴出。由於該蒸氣提供裝置20係密閉的，僅有第一開口231一個進氣口，在整個過程中，氣體只能通過導汽管230的第一開口231流出或者進入。
請參見圖3，本發明實施例提供的的蒸氣提供裝置20還可以進一步包括一第一導管240。該第一導管240設置於所述蒸氣發生部220與所述鼓氣部210之間，將所述蒸氣發生部220與所述鼓氣部210密封連通。該第一導管240的長度大於所述蒸氣發生部的長度。該第一導管240的材料不限，可為硬性材料或者柔性材料。所述硬性材料包括陶瓷、玻璃、樹脂、石英、塑膠等。所述柔性材料包括樹脂、橡膠、塑膠或柔性纖維等。本實施例中，該第一導管240為橡膠材料製成，長度為50厘米，直徑為1厘米。增加了第一導管240後，氣流的穩定性可以得到增強，從而使得蒸氣流可以更加穩定的通入待觀測樣品表面。
當使用蒸氣提供裝置20時，可以先將所述導汽管230的第一開口231浸入液體中，然後通過擠壓鼓氣部210的方式，吸入少量的液體進入所述蒸氣發生部220中，進入的液體被液體吸收材料222吸收。當所述蒸氣發生部220的加熱層226被施加電壓時，該加熱層226發熱並加熱所述液體吸收材料222，從而產生蒸氣。然後，通過擠壓鼓氣部210的方式，將蒸氣擠出，並通至待測樣品60表面。
可以理解，還可以進一步通過其他的方式提供蒸氣。比如，在步驟S3中，可以將待測樣品放置在低溫熱源上，從而使得待測樣品的溫度大大低於 環境溫度，在未通入水蒸氣時，空氣中的水蒸氣會直接形成液滴附著在待測樣品的奈米結構表面，從而使得光學顯微鏡可以觀測到待測樣品。還可以將待測樣品放置在冰塊上，在常溫條件下，待測樣品會快速降溫，從而在遇到蒸氣時可以迅速在待測樣品表面形成液體顆粒，從而使得光學顯微鏡可以觀測到待測樣品的奈米結構。可以理解，只要將待測樣品的溫度降低都可以實現上述功能，還可以將待測樣品放置在致冷材料上，給待測樣品致冷。如，放置在半導體電熱材料表面，再給半導體電熱材料通電後降溫。
所述光學顯微鏡可以為先前技術中的各種光學顯微鏡。請參見圖4，本實施例中所述光學顯微鏡10包括一載物台110、一物鏡120、一目鏡130、一圖像採集系統140、一聚光照明系統150、及一調焦機構160。所述載物台110用於承載被觀察的物體。所述物鏡120位於被觀察物體附近，係實現第一級放大的鏡頭。在該光學顯微鏡10可以包括幾個不同放大倍率的物鏡120，通過一轉動轉換器可讓不同倍率的物鏡120進入工作光路，該物鏡120的放大倍率通常為5~100倍。所述載物台110和物鏡120兩者能沿物鏡120光軸方向作相對運動以實現調焦，獲得清晰的圖像。用高倍物鏡工作時，容許的調焦範圍往往小於微米，故顯微鏡須具備極為精密的調焦機構160。所述目鏡130係位於人眼附近實現第二級放大的鏡頭，鏡放大倍率通常為5~20倍。按照所能看到的視場大小，所述目鏡130可分為視場較小的普通目鏡，和視場較大的大視場目鏡(或稱廣角目鏡)兩類。該圖像採集系統140包括一接收器142及一影像處理器144。所述接收器142可以為數碼相機，用於拍攝觀測到的樣品。所述影像處理器144為電腦，可以包括顯示器，從而在顯示器上輸出觀測到的圖像。所述調焦機構160具有調焦旋鈕，從而可以驅動該調焦機構160，使載物台110作粗調和微調的升降運動，使被觀察物體調焦清晰成象。聚光照明系統150由燈源和聚光鏡構成，聚光鏡的功能係使更多的光能集中到被觀察的部位。照明燈的光譜特性須與顯微鏡的接收器142的工作波段相適應。
觀測時所述基底610放置在載物台110上，可以通過調節光學顯微鏡10的調焦機構160，使得光學顯微鏡10可以觀測到待測樣品60的表面。在未通蒸氣時，該光學顯微鏡10無法觀測到待測樣品60的奈米結構。在通入蒸氣後，所述蒸氣將在待測樣品60表面及第一帶電奈米微粒620表面形成大量的微 小液體顆粒，此時該待測樣品60及第一帶電奈米微粒620的輪廓可以清晰的被光學顯微鏡捕捉到。
若所述待測樣品60存在表面電荷，該表面電荷會產生電場，對所述第一帶電奈米微粒620產生排斥或吸引的相互作用。具體的，根據庫倫作用(Coulomb interaction)，所述第一帶電奈米微粒620與所述待測樣品60之間的相互作用力與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比。若第一帶電奈米微粒620的電性與待測樣品60的電性相異，該第一帶電奈米微粒620與該待測樣品60之間相互吸引，表現為所述第一帶電奈米微粒620在所述待測樣品60的表面聚集；若該第一帶電奈米微粒620的電性與待測樣品60的電性相同，該第一帶電奈米微粒620與該待測樣品60之間相互排斥，表現為所述第一帶電奈米微粒620遠離所述待測樣品60。總而言之，在已知第一帶電奈米微粒620所帶電性的前提下，可以通過觀測該第一帶電奈米微粒620在待測樣品60周圍的分佈情況推測出該待測樣品60表面電荷的電性及分佈情況。
請一併參見圖1、圖5與圖6，圖5為利用本實施例提供的方法獲得的超長奈米碳管在光學顯微鏡下的照片，圖6為圖5中的超長奈米碳管的掃描電鏡照片，尺規刻度為400μm。圖5中亮斑的分佈情況與第一帶電奈米微粒620的分佈情況對應，圖中第一帶電奈米微粒620遠離所述超長奈米碳管，可知該超長奈米碳管所帶的電性與第一帶電奈米微粒620電性相同。
本實施例提供的觀測奈米結構表面電荷分佈的方法通過在被測奈米結構表面通入易揮發液體的蒸氣，在被觀測奈米結構表面及奈米微粒表面形成大量的液滴，從而使得該被測奈米結構及帶電奈米微粒的輪廓清晰的被光學顯微鏡捕捉到，進而通過觀測帶電奈米微粒在待測奈米結構周邊的分佈情況判斷所述待測奈米結構的表面電荷分佈情況。利用本發明提供的方法可以更加高效、簡便、低成本的獲得奈米結構表面電荷分佈情況。
本發明第二實施例進一步提供一種測量奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S21，提供一待測樣品60，該待測樣品60具有奈米結構，該待觀測樣品設置於一絕緣基底610表面；S22，向該待測樣品60表面噴射第一帶電奈米微粒620； S23，向該待測樣品60表面通入蒸氣，利用光學顯微鏡觀測所述第一帶電奈米微粒620在所述待測樣品60周邊的分佈情況，若所述第一帶電奈米微粒620在所述待測樣品60處形成一暗線，則記錄該暗線的寬度並執行步驟S26，否則執行步驟S24；S24，向該待測樣品60表面噴射第二帶電奈米微粒622，該第二帶電奈米微粒622與所述第一帶電奈米微粒620電性相反；S25，向該待測樣品60表面通入蒸氣，記錄所述第二帶電奈米微粒622在所述待測樣品60處形成的暗線的寬度；S6，根據公式w=((Fc/32(U-U0)D2)In((2D/d)/21/εr))-1/3計算所述待測樣品的電壓，其中w為暗線寬度，U為所述待測樣品的電壓，Fc為帶電奈米微粒噴射氣流在基底處產生的壓力，U0為閾值電壓，D為基底介質層厚度，d為待測樣品直徑，εr為基底介質層介電常數。
步驟S21中，該待測樣品60優選為零維奈米材料或一維奈米材料，所述零維奈米材料包括：團簇、人造原子、奈米微粒等。所述一維奈米材料包括：奈米線、奈米管、奈米棒、奈米纖維等。
步驟S23中，若所述第一帶電奈米微粒620與所述待測樣品60電性相同，所述待測樣品60對所述第一帶電奈米微粒620產生排斥，在光學顯微鏡下可以觀測到該待測樣品60處形成一暗線。該暗線的寬度可以在觀測時直接測量，或將本次觀測拍攝成照片後再進行測量。
若所述第一帶電奈米微粒620與所述待測樣品60電性相異，則需要改變帶電奈米微粒的電性進行觀測。即執行步驟S24。
步驟S24中，所述第二帶電奈米微粒622與所述第一帶電奈米微粒620電性相反。例如，若所述第一帶電奈米微粒620為帶負電的NaCl奈米微粒，所述第二帶電奈米微粒622則為帶正電的NaCl奈米微粒。
步驟S25中，所述暗線寬度與待測樣品60的電壓之間、所述暗線寬度與基底絕緣層厚度成一定的對應關係。請一併參見圖7與圖8，超長奈米碳管與一測量電極612相連，所述測量電極612外接電壓U。請參閱圖9與圖10， 所述暗線寬度隨著待測樣品60外接電壓的升高而變寬，所述暗線寬度隨著基底絕緣層厚度的增加而變寬。
可以理解，在執行步驟S24之前，可以增加一清洗步驟，用於抹除所述絕緣基底610表面的第一帶電奈米微粒620。例如，可以利用去離子水除去基底610表面接近全部的帶電奈米微粒。
與先前技術相比，本實施例提供的測量奈米結構表面電荷分佈的方法通過在被測奈米結構表面通入易揮發液體的蒸氣，在被觀測奈米結構表面及奈米微粒表面形成大量的液滴，從而使得該被測奈米結構及帶電奈米微粒的輪廓清晰的被光學顯微鏡捕捉到，進而通過分析帶電奈米微粒在待測奈米結構處形成的暗線寬度計算該待測奈米結的帶電情況。
請參閱圖11，本發明第三實施例提供一種帶電奈米微粒的製備裝置700，包括：一霧化裝置710、一第一電極720、一第二電極730。
所述霧化裝置710用於對送入該霧化裝置的溶液進行霧化，形成微米級的微小液滴。所述霧化裝置710可以為壓縮空氣霧化器，待霧化溶液在壓縮空氣霧化器中被高速氣流粉碎，形成直徑為微米級的微小液滴。
所述第一電極720與第二電極730平行間隔設置。該第一電極720的表面至少設置有一第一通孔722，該第二電極730的表面至少設置有一第二通孔732，以使所述霧化裝置710產生的微小液滴能夠經由該第一通孔722與該第二通孔732通過該第一電極720與第二電極730。所述第一通孔722與第二通孔732的直徑小於1mm時，所獲得的帶電奈米微粒帶電更為均勻。優選地，該第一通孔722與該第二通孔732的直徑相同且位置相對應。進一步地，該第一電極720與第二電極730均為網狀結構，該網狀結構的表面分佈有複數個網孔，優選地，該複數個網孔均勻分佈，直徑約為1-100微米。
經由所述霧化裝置710霧化後的微小液滴依次高速通過該第一電極720與第二電極730。該第一電極720與該第二電極730之間存在電壓為U12。霧化後的微小液滴在通過該第一電極720與該第二電極730的過程中與該第一電極720與該第二電極730發生電子轉移。所述微小液滴的電性由第二電極730的電性決定。若該第二電極730為負，所述微小液滴在通過該第一電極720與該第二電極730後帶負電；若該第二電極730為正，所述微小液滴在通過該第一電極720與該第二電極730後帶正電。
所述帶電奈米微粒的製備裝置還可以進一步包括一電壓發生器，用於向該第一電極720與該第二電極730提供電壓。該電壓發生器提供的電壓範圍可以為-2000V~+2000V。
本實施例進一步提供一種製備帶電奈米微粒的方法，包括以下步驟：S31，提供一待霧化溶液，該待霧化溶液的溶質與待製備奈米微粒種類相同；S32，利用所述霧化裝置710對該待霧化溶液進行霧化形成微小液滴；S33，將該微小液滴依次通過平行設置的第一電極720與第二電極730，該第一電極720與該第二電極730電性相反。
步驟S31中，所述待霧化溶液的溶質與待製備的帶電奈米微粒一致。所述溶液的溶劑為較易揮發的液體，如水、乙醇等。優選地，所述溶液為飽和溶液。例如，欲製備NaCl帶電奈米微粒，則對應的待霧化的溶液可以為NaCl飽和乙醇溶液，欲製備葡萄糖帶電奈米微粒，則對應的待霧化的溶液可以為葡萄糖飽和乙醇溶液。
步驟S32中，所述待霧化溶液在霧化裝置的作用下霧化為微米級的微小液滴。本實施例中採用壓縮空氣霧化器對所述葡萄糖飽和乙醇溶液進行霧化。所述葡萄糖飽和乙醇經過壓縮空氣霧化器高速氣流粉碎後形成直徑約為1-10μm的包含有葡萄糖溶質的微小液滴。
步驟S33中，所述第一電極與第二電極平行設置，步驟S32獲得的包含有葡萄糖溶質的微小液滴可以經由該第一電極與第二電極表面的孔洞自由通過。
所述微小液滴的電性由所述第二電極連接的第二電壓決定。若該第二電壓為負，所述微小液滴在通過該第一電極與第二電極後帶負電；若該第二電壓為正，所述微小液滴在通過該第一電極與第二電極後帶正電。該第一電極與該第二電極之間的電壓範圍為1000V~2000V，本實施例中，所述第一電壓為1800V，所述第二電壓為-1800V。
霧化後的微小液滴在通過該第一電極與第二電極的過程中與該第一電極、第二電極發生電子轉移，使該微小液滴攜帶上與第二電極電性相同的 電荷。同時所述霧化後的微小液滴中的溶劑在空氣中逐漸揮發，當溶劑完全揮發後將形成尺寸為奈米級的微粒。上述電子轉移與溶劑揮發同時進行，所述霧化後的微小液滴在上述兩種作用下逐漸形成帶電奈米微粒。
與先前技術相比，本發明提供的帶電奈米微粒的製備裝置可以直接獲得帶電奈米微粒，且該帶電奈米微粒的電性及電量在製備過程中可實時調的。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (11)

  1. 一種測量奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S1，提供一待測樣品，所述待測樣品具有奈米結構，該待觀測樣品設置於一絕緣基底表面；S2，向該待測樣品表面噴射第一帶電奈米微粒；S3，向該待測樣品表面通入蒸氣，利用光學顯微鏡觀測所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品周邊的分佈情況，若所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成一暗線，則記錄該暗線的寬度並執行步驟S6，否則執行步驟S4；S4，向該待測樣品表面噴射第二帶電奈米微粒，該第二帶電奈米微粒與所述第一帶電奈米微粒電性相反；S5，向該待測樣品表面通入蒸氣，記錄所述第二帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成的暗線的寬度；及S6，根據公式w=((Fc/32(U-U0)D2)In((2D/d)/21/εr))-1/3計算所述待測樣品的電壓，其中w為暗線寬度，U為所述待測樣品的電壓，Fc為帶電奈米微粒噴射氣流在基底處產生的壓力，U0為閾值電壓，D為基底介質層厚度，d為待測樣品直徑，εr為基底介質層介電常數。
  2. 如請求項1所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述待測樣品為零維奈米材料或一維奈米材料中的至少一種。
  3. 如請求項2所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述待測樣品為奈米碳管。
  4. 如請求項1所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述絕緣基底的表面形成有厚度約1微米二氧化矽層。
  5. 如請求項1所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述帶電奈米微粒的直徑為0.5nm-5nm。
  6. 如請求項5所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述帶電奈米微粒為不易昇華的晶體。
  7. 如請求項5所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述帶電奈米微粒為帶電葡萄糖奈米微粒、帶電蔗糖奈米微粒或帶電金屬鹽奈米微粒。
  8. 如請求項7所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述葡萄糖奈米微粒的製備方法為：S21，提供一葡萄糖溶液；S22，將該葡萄糖溶液霧化，形成包含有葡萄糖的微小液滴；及S23，將該包含有葡萄糖的微小液滴通過平行且間隔設置的第一電極與第二電極，該第一電極與第二電極表面均存在通孔以使所述微小液滴自由通過，該第一電極與該第二電極之間的電壓範圍為1000V~2000V。
  9. 如請求項1所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，所述蒸氣為水蒸氣。
  10. 如請求項1所述的測量奈米結構表面電荷分佈的方法，其中，執行步驟S4之前利用去離子水清洗所述絕緣基底表面的第一帶電奈米微粒。
  11. 一種測量奈米結構表面電荷分佈的方法，包括以下步驟：S11，提供一待測樣品，該待觀測樣品具有奈米結構；S12，提供一光學顯微鏡系統，該光學顯微鏡系統包括一光學顯微鏡及光學顯微鏡的輔助裝置，該光學顯微鏡包括物鏡及載物台，該光學顯微鏡的輔助裝置包括一鼓氣部、一蒸氣發生部及一導汽管，所述述鼓氣部與所述蒸氣發生部的一端相互連接，所述蒸氣發生部的另一端與所述導汽管連接，所述鼓氣部向所述蒸氣發生部通入氣體，從而將所述蒸氣發生部產生的蒸氣帶入導汽管中；S13，將所述待測樣品放置在所述載物臺上，向該待測樣品表面均勻的第一噴射帶電奈米微粒；S14，利用所述光學顯微鏡的輔助裝置向所述待測樣品表面通入蒸氣，同時利用所述光學顯微鏡觀測所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品周邊的分佈情況，若所述第一帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成一暗線，則記錄該暗線的寬度並執行步驟S16，否則執行步驟S15；S15，向該待測樣品表面均勻的噴射第二帶電奈米微粒，該第二帶電奈米微粒與所述第一帶電奈米微粒電性相反；S16，向該待測樣品表面通入蒸氣，記錄所述第二帶電奈米微粒在所述待測樣品處形成的暗線的寬度；及S6，根據公式w=((Fc/32(U-U0)D2)In((2D/d)/21/εr))-1/3計算所述待測樣品的電壓，其中w為暗線寬度，U為所述待測樣品的電壓，Fc為帶電奈米微粒噴射氣流在基底處產生的壓力，U0為閾值電壓，D為基底介質層層度，d為待測樣品直徑，εr為基底介質層介電常數。
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