馬 立，耿松超，楊 權(quán)，陳 濤，孫立寧

（1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444；2.蘇州大學(xué) 機(jī)器人與微系統(tǒng)中心，江蘇 蘇州 215021）

1 引 言

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）作為當(dāng)今納米領(lǐng)域的熱門材料之一，具有獨(dú)特的電學(xué)、機(jī)械、化學(xué)以及力學(xué)性能，在新型功能材料和高性能器件方面展示了巨大的應(yīng)用前景［1-3］。目前，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)CNT在場(chǎng)效應(yīng)晶體管、傳感器和探測(cè)器等電子器件上的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究［4-8］。為拓寬CNT的應(yīng)用范圍，從CNT生長(zhǎng)基底上拾取長(zhǎng)直的CNT是至關(guān)重要的一步。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CNT的拾取、裝配和性能測(cè)試搭建了不同的微納操作系統(tǒng)。福田敏男教授［9］在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Micro‐scope，SEM）內(nèi)使用帶針尖的原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）懸臂梁探針為末端執(zhí)行器對(duì)散落的CNT進(jìn)行拾取、移動(dòng)和楊氏模量的測(cè)量，但該方法對(duì)未斷裂的CNT并不適用。隨后，該課題組Liu［10］等設(shè)計(jì)了一種在SEM中通入氧氣，并使用電子束轟擊CNT使其在轟擊位置氧化斷裂的方法，以達(dá)到對(duì)CNT拾取的目的，但是該方法需要額外的氣體輸入，SEM的真空環(huán)境被破壞，且氧氣量較難控制。Fatikow等［11］設(shè)計(jì)了微納夾持器，可以將獨(dú)立的CNT從基底上拉斷達(dá)到拾取效果，但是其尺寸較大，不適用于排列緊密的CNT陣列。楊湛［12-14］等人在SEM的真空艙內(nèi)搭建了16自由度的微納操作系統(tǒng)，并采用AFM探針為末端執(zhí)行器從基底上將CNT拉伸至斷裂的方式拾取CNT，但是由于CNT與AFM探針表面的范德瓦爾斯力較小，CNT經(jīng)常從AFM探針表面脫落導(dǎo)致拾取失敗。隨后，他們提出使用電子束誘導(dǎo)沉積法，通過(guò)沉積多個(gè)沉積點(diǎn)加強(qiáng)CNT和AFM探針表面的接觸力并降低接觸電阻，但是該方法沉積點(diǎn)位置難以控制且每沉積一個(gè)點(diǎn)要幾到幾十分鐘不等，拾取操作過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)。孟嶺超［15］等人提出將CNT焊接在金屬電極兩端，通過(guò)局部焦耳熱處理降低CNT與金屬間的接觸電阻，但卻忽略了接觸長(zhǎng)度和接觸位姿對(duì)接觸電阻的影響。為了縮短操作時(shí)間，提高CNT的拾取成功率并對(duì)電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，本文提出一種快速拾取CNT的操作方法并對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行分析。在掃描電子顯微鏡內(nèi)搭建微納操作系統(tǒng)，使用鎢針和原子力顯微鏡探針協(xié)同操作的策略與碳納米管搭建切割拾取電路，在兩端通電實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管的快速切割拾取。保持鎢針與碳納米管接觸狀態(tài)不變，建立碳納米管與原子力顯微鏡探針點(diǎn)接觸和線接觸電路模型，分析接觸位姿對(duì)電學(xué)性能的影響，并在線接觸電路模型情況下改變碳納米管與原子力顯微鏡探針的接觸長(zhǎng)度，研究接觸長(zhǎng)度對(duì)接觸電阻的影響。

2 基于SEM的微納操作系統(tǒng)

基于SEM（SU3500，HiTachi）的微納操作系統(tǒng)主要由4個(gè)微納操作機(jī)器人單元組成，每個(gè)操作單元配備相應(yīng)的末端夾持器，以方便操作末端執(zhí)行器在微納尺度范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，如圖1（a）所示。該微納操作系統(tǒng)安裝在掃描電鏡真空腔中的樣品臺(tái)上，每個(gè)操作單元都具有x，y，z軸3個(gè)方向的平移自由度，且具有粗定位和精定位兩種定位模式，各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示。其中，粗定位采用黏滑驅(qū)動(dòng)的方式，精定位采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈的方式。SEM成像具有實(shí)時(shí)性，操作者可以通過(guò)SEM圖像反饋實(shí)時(shí)控制操作對(duì)象。

表1 微納操作單元的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of micro-nano operating units

本文使用的樣品是由化學(xué)氣相沉積法制成的CNT陣列，高度為300μm，純度為98%。首先，使用導(dǎo)電膠的邊緣自上而下垂直地從樣品生長(zhǎng)基底上粘附部分CNT，這樣能保證CNT豎直排列且空間內(nèi)分散分布，方便CNT的拾取和電路搭建（見(jiàn)圖1（b））。將帶有樣品的導(dǎo)電膠粘附在單元1上的夾持器的頂端，帶有CNT端朝向外側(cè)；使用鎢針（ST-20-0.5，GGB）和無(wú)針尖三角形的AFM探針（PNP-TR-Au，Nanoworld）作為末端執(zhí)行器分別裝于單元2和單元3的夾持器上，鎢針是圓錐形結(jié)構(gòu)，針尖直徑為200 nm（見(jiàn)圖1（c）），將鎢針折彎至90~120°之間，能有效避免在拾取過(guò)程中非目標(biāo)CNT對(duì)拾取操作過(guò)程的影響，且能保證針尖的側(cè)壁與CNT接觸。AFM探針（見(jiàn)圖1（d））兩個(gè)懸臂梁的長(zhǎng)度分別為200 μm和100μm，厚度均為0.5μm，且探針表面鍍有一層金薄膜。AFM探針與CNT樣品相對(duì)放置，方便AFM探針與CNT接觸。將CNT拉伸至水平直線狀態(tài)，此狀態(tài)下方便單元2的末端執(zhí)行器鎢針與CNT的側(cè)壁接觸形成鎢針-CNTAFM探針的接觸模式，有利于拾取電路的搭建。

圖1 微納操作系統(tǒng)Fig.1 Micro-nano manipulation system

3 拾取操作方法及切割電路模型

由于CNT在基底上的生長(zhǎng)狀態(tài)是雜亂無(wú)章的，且很多CNT互相纏繞形成一個(gè)碳納米管束，排列密集，CNT的拾取難度很大。本文基于上述操作系統(tǒng)，提出在SEM的高低放大倍率下協(xié)同操作鎢針和AFM探針與CNT搭建切割電路的策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)CNT的快速拾取，并對(duì)電路中的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，討論不同接觸位姿對(duì)接觸電路的影響。

3.1 CNT拾取的微納操作方法

微納操作機(jī)器人裝入SEM的真空腔前，需要手動(dòng)對(duì)各個(gè)操作單元的位置進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，方便后續(xù)CNT的拾取電路的搭建，且節(jié)省大量時(shí)間。將帶有樣品的單元1夾持器移動(dòng)到操作平臺(tái)的中心位置且保持水平位置；單元2的末端執(zhí)行器為鎢針，調(diào)節(jié)鎢針的位置，保證針尖在CNT樣品左上方且接近樣品；單元3的末端執(zhí)行器為AFM探針，將AFM探針的位置調(diào)節(jié)至CNT樣品的右側(cè)下方且接近樣品。完成上述一系列操作后將微納操作機(jī)器人集成在SEM的真空腔內(nèi)。

SEM中的深度信息可根據(jù)其提供的工作距離參數(shù)來(lái)判斷，該參數(shù)代表當(dāng)前圖像中最清晰的位置與物鏡極靴下表面之間的距離。SEM成像原理是將電子槍產(chǎn)生的電子經(jīng)光闌和透鏡等會(huì)聚成一點(diǎn)轟擊樣品，并收集轟擊產(chǎn)生的二次電子來(lái)成像。電子束會(huì)聚點(diǎn)所在的平面被稱為SEM的焦平面，位于焦平面上的物體在電鏡所成圖像中清晰度最高，物體離焦平面越遠(yuǎn)所成圖像越模糊，且焦平面可以通過(guò)SEM圖像控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使不同物體位于焦平面上。結(jié)合SEM上述兩個(gè)特征，可以確定SEM在z軸方向的深度信息。

首先對(duì)CNT樣品進(jìn)行觀察，拾取合適的目標(biāo)CNT。因?yàn)镾EM不能觀察深度信息，而且AFM探針的初始位置位于CNT樣品的側(cè)下方，所以AFM探針始終在CNT樣品的下方。確定好目標(biāo)位置后，只需在x和y軸方向移動(dòng)AFM探針即可，在低放大倍率下AFM探針移動(dòng)速度較快，能快速移動(dòng)至目標(biāo)CNT附近。在高倍率下進(jìn)行精調(diào)，當(dāng)觀察到CNT的自由端和AFM探針表面重合時(shí)，基本上可以判定AFM探針已經(jīng)位于CNT的正下方。在高放大倍率下，將目標(biāo)CNT調(diào)節(jié)至最清晰狀態(tài)，此時(shí)CNT位于焦平面上。保持當(dāng)前焦平面不變，在低放大倍率下，向z軸正方向快速移動(dòng)AFM探針至CNT所在焦平面附近，然后在高放大倍率下進(jìn)行z軸方向精調(diào)。在此過(guò)程中觀察CNT自由端的狀態(tài)變化，當(dāng)CNT末端狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)CNT已與AFM探針表面發(fā)生接觸。

CNT與AFM探針表面分線接觸和點(diǎn)接觸兩種情況。其中，點(diǎn)接觸分為CNT端點(diǎn)與AFM探針接觸和CNT與AFM在交叉點(diǎn)接觸。線接觸情況下，CNT和AFM探針間的范德瓦爾力較大，有利于CNT的拾取和轉(zhuǎn)移，CNT不易從AFM探針表面脫落。而點(diǎn)接觸CNT容易從AFM探針表面脫落，不利于后續(xù)CNT的轉(zhuǎn)移和裝配，故點(diǎn)接觸為不良接觸，需保證CNT與AFM探針是線接觸狀態(tài)。本課題組已經(jīng)提出沿先z軸后x軸或先x軸后z軸兩種將點(diǎn)接觸校正至線接觸的操作方法［16］。上述為拾取過(guò)程中AFM探針的操作策略，這種操作方法能有效縮短AFM探針的定位時(shí)間，提高了效率，避免因速度過(guò)快而與樣品或者其他末端執(zhí)行器發(fā)生碰撞導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。

在CNT與AFM探針間范德瓦爾力的作用下，目標(biāo)CNT會(huì)沿x軸拉伸至直線狀態(tài)。然后，需要操作單元2的末端執(zhí)行器鎢針與目標(biāo)CNT的側(cè)壁接觸，完成切割電路的搭建。鎢針的初始位置位于CNT樣品的左上方，故鎢針在平面內(nèi)的移動(dòng)不會(huì)與CNT樣品和AFM探針發(fā)生碰撞。首先，在低放大倍率下沿x和y軸方向移動(dòng)鎢針至目標(biāo)CNT區(qū)域。然后再在高倍率下進(jìn)行精調(diào)，將拉伸至直線狀態(tài)的目標(biāo)CNT的清晰度調(diào)整至最高。此時(shí)目標(biāo)CNT所在的平面即為焦平面，而鎢針則在此焦平面的上方，清晰度較低，需要在z軸方向?qū)︽u針進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它與CNT位于同一焦平面內(nèi)。保持當(dāng)前焦平面不動(dòng)，在低放大倍率下鎢針沿z軸負(fù)方向快速移動(dòng)至CNT所在焦平面附近，然后在高放大倍率下沿x，y和z軸方向進(jìn)行精調(diào)，使鎢針與CNT的側(cè)壁接觸。因?yàn)镃NT和鎢針之間會(huì)存在范德瓦爾力的作用，當(dāng)兩者接觸時(shí)，CNT在范德瓦爾力的作用下產(chǎn)生形變。當(dāng)觀察到CNT的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以判定CNT與鎢針已經(jīng)接觸。

3.2 CNT電學(xué)性能測(cè)量

各個(gè)操作單元可以通過(guò)電控箱與外部電源連接。本實(shí)驗(yàn)采用吉時(shí)利（Keithley）的2280S可編程直流電源，該電源可提供0~32 V的直流電壓，實(shí)時(shí)顯示電路中的電壓和電流，滿足測(cè)量要求。CNT拾取的切割電路模型如圖2（a）所示。在鎢針和AFM探針兩端通電可實(shí)現(xiàn)CNT的快速成功拾取，如圖2（b）所示。

圖2 切割電路模型Fig.2 Model of cutting circuit

電路中的電阻由3部分組成。其中，R1為鎢針與CNT接觸時(shí)所形成的接觸電阻，R1=ρc/Ac，ρc為CNT和鎢針接觸時(shí)的特殊電阻率，該值主要由接觸區(qū)域的局部化學(xué)性質(zhì)以及費(fèi)米能級(jí)決定，Ac表示接觸區(qū)域。在操作的過(guò)程中保證已經(jīng)接觸的鎢針和CNT接觸狀態(tài)不變或者在同一區(qū)域接觸，因此R1為一個(gè)固定值。假設(shè)CNT軸向無(wú)任何缺陷且直徑均勻，則CNT的電阻R為：

其中：rcnt為CNT的電阻率，l2為鎢針和AFM探針間CNT的長(zhǎng)度。假設(shè)所拾取的目標(biāo)CNT由n個(gè)單根CNT組成，它們?cè)陔娐分袠?gòu)成并聯(lián)電路，則鎢針和AFM探針間CNT的電阻R2為：

假設(shè)CNT與鍍金的AFM探針表面完全線接觸，會(huì)產(chǎn)生接觸電阻Rc，該值隨接觸長(zhǎng)度l3的變化而變化。電路中的總接觸電阻Rct=R1+Rc，其中R1為固定值，電路中的CNT總長(zhǎng)度不變，l2和l3的變化能直觀地反映出電路中的總電阻RT和Rc的變化。切割電路中總電阻RT為：

聯(lián)立式（1）~式（3）可得：

其中：RT通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出，l2，l3通過(guò)SEM直接測(cè)量得出。改變CNT與AFM探針的接觸長(zhǎng)度l3，會(huì)得到不同的RT，l2，Rc。由于電路中R1為固定值，通過(guò)計(jì)算得出的Rct可以直觀地反映出CNT與鍍金的AFM探針接觸長(zhǎng)度l3和兩者產(chǎn)生接觸電阻Rc之間的關(guān)系。

4 CNT的拾取實(shí)驗(yàn)及電學(xué)性能測(cè)量

4.1 CNT拾取實(shí)驗(yàn)

依據(jù)第3節(jié)所述的操作策略對(duì)目標(biāo)CNT進(jìn)行拾取。CNT樣品和各個(gè)探針的位置分布如圖3（a）所示。AFM探針的操作步驟如下：

（1）圖中方框內(nèi)標(biāo)記位置為目標(biāo)CNT所在位置；

（2）確定目標(biāo)位置后，低放大倍率下使AFM探針快速移動(dòng)至目標(biāo)CNT位置附近，如圖3（b）所示；

（3）高放大倍率下對(duì)AFM探針進(jìn)行精調(diào)，調(diào)整SEM的焦距使目標(biāo)CNT位于焦平面內(nèi)，清晰度達(dá)到最高，如圖3（c）所示。而后保持焦平面不變，由于AFM探針位于CNT的下方，和CNT不在同一焦平面上故AFM探針成像模糊；

圖3 AFM探針操作示意圖Fig.3 Process of AFM probe operation

（4）保持（3）中的焦平面不變，在低放大倍率下調(diào)節(jié)AFM探針，能快速沿z軸正方向移動(dòng)AFM探針接近CNT所 在焦平面，如圖3（d）所示；

（5）在高放大倍率下對(duì)AFM探針在x，y軸方向進(jìn)行精調(diào)，確保AFM探針在目標(biāo)CNT的正下方，如圖3（e）所示。操作AFM探針以2μm的步距沿z軸正方向運(yùn)動(dòng)，觀察圖3（e）和3（f）發(fā)現(xiàn)AFM探針逐漸與目標(biāo)CNT在同一焦平面上，且CNT的位姿狀態(tài)發(fā)生輕微變化，表明CNT與AFM探針已經(jīng)接觸。對(duì)CNT和AFM探針的接觸狀態(tài)進(jìn)行判斷，在x和y軸方向移動(dòng)AFM探針將CNT拉伸至直線狀態(tài)。觀察圖3（g）和3（h）發(fā)現(xiàn)CNT與AFM探針表面接觸長(zhǎng)度和接觸端點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生任何變化，兩者的接觸狀態(tài)良好，為線接觸。此時(shí)AFM探針操作完畢。

CNT與AFM探針完全線接觸后，利用兩者間的范德瓦爾力拾取CNT，操作AFM探針以2 μm的步距沿x，y軸方向移動(dòng)。在拾取過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，CNT從AFM探針脫落至點(diǎn)接觸狀態(tài)如圖4（b），CNT拾取失敗。由此表明，僅僅依靠CNT與AFM探針間的范德瓦爾力將CNT拉伸至斷裂的方式很難成功拾取CNT。但CNT與AFM探針的點(diǎn)接觸狀態(tài)并不影響后續(xù)通電切割拾取CNT電路的搭建。對(duì)鎢針進(jìn)行操作，進(jìn)行切割電路的搭建，具體操作過(guò)程如下：

（1）AFM探針將目標(biāo)CNT拉伸至直線狀態(tài)后，在低放大倍率下沿x，y軸方向快速移動(dòng)鎢針至目標(biāo)CNT附近，如圖4（a）所示；

（2）在高放大倍率下，將目標(biāo)CNT的清晰度調(diào)節(jié)至最高，保持當(dāng)前焦平面不變，由于鎢針在CNT所在焦平面上方，故成像模糊如圖4（b）所示；

（3）在低放大倍率下快速沿z軸向下移動(dòng)鎢針至與CNT大致在同一焦平面附近，而后在高放大倍率下在x，y和z軸方向調(diào)節(jié)鎢針，使鎢針尖端靠近目標(biāo)CNT且兩者在同一焦平面上，如圖4（c）所示；

（4）操作鎢針以2μm的步距沿x，y和z軸方向移動(dòng)，在操作過(guò)程中觀察到CNT在范德瓦爾力的作用下吸附在鎢針表面，且CNT會(huì)產(chǎn)生一定的形變，CNT與鎢針已經(jīng)接觸，如圖4（d）所示。保持鎢針與CNT接觸狀態(tài)不變，此時(shí)完成CNT與AFM探針點(diǎn)接觸電路的搭建。

圖4 鎢針操作示意圖Fig.4 Process diagram of tungsten needle operation

操作AFM探針將接觸狀態(tài)校正至線接觸狀態(tài)，并將CNT拉伸至水平直線狀態(tài)，如圖5（a）和5（b）所示，此時(shí)完成CNT與AFM探針線接觸電路模型的搭建。在鎢針和AFM探針之間施加一個(gè)線性增加的直流電壓，并記錄電路中電流的變化。為避免SEM的電子束影響切割電路中的電流，在切割拾取CNT的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉了SEM的成像功能，通過(guò)電路中電流值的變化來(lái)判斷CNT的狀態(tài)。當(dāng)電路中的電流突然急劇減小至0時(shí)，電路為斷路狀態(tài)，則CNT切割拾取成功，如圖5（c）所示。多次實(shí)驗(yàn)表明，在SEM高低放大倍率下協(xié)同操作AFM探針和鎢針通電切割成功拾取CNT的用時(shí)在8 min左右，拾取成功率達(dá)到90%以上；而一般工作者正常操作SEM成功拾取CNT的用時(shí)在50~60 min，成功率僅有20%左右，可見(jiàn)本文提出的操作方法不僅提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，還為實(shí)驗(yàn)操作節(jié)省了大量時(shí)間。

圖5 CNT切割拾取過(guò)程Fig.5 Process of CNT cutting pickup

4.2 CNT電學(xué)性能測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持鎢針和CNT的接觸狀態(tài)不變，或者在同一位置接觸保證兩者產(chǎn)生的接觸電阻R1不變，在圖5（b）狀態(tài)下操作AFM探針改變CNT與AFM探針的接觸長(zhǎng)度l3，同時(shí)鎢針和AFM探針間CNT的長(zhǎng)度l2隨之改變。為避免熱效應(yīng)影響電路，在0~1 V的低電壓下測(cè)得電路中的電流，并通過(guò)計(jì)算得出電路中總電阻RT，R2及總接觸電阻Rct。針對(duì)同一目標(biāo)CNT，重復(fù)上述操作3次，測(cè)得3組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

化學(xué)氣相沉積法制成CNT的直徑在20~50 nm，根據(jù)SEM的放大倍率，可以估算出所拾取的CNT束由4根CNT互相纏繞形成，包含金屬性和半導(dǎo)體性CNT，在0~1 V的低電壓下所測(cè)得的I-V數(shù)據(jù)如圖6所示。3組數(shù)據(jù)的線性擬合度R2均在0.97以上，可以判定電路中電壓-電流為線性關(guān)系，表明低電壓下當(dāng)CNT與鎢針和金表面同時(shí)接觸時(shí)屬于歐姆接觸。切割電路中的總電阻RT可由擬合直線的斜率得出，3組不同接觸長(zhǎng)度下的總電阻如表2所示。在切割電路中，CNT的電阻率rcnt為200 kΩ/μm［17］，將表2中數(shù)據(jù)代入式（4），可以得到在接觸電阻R1固定的情況下，CNT與鍍金的AFM探針不同接觸長(zhǎng)度l3下的總接觸電阻Rct，該值能直觀反映出Rc的大小。從表2中的數(shù)據(jù)可以得出，CNT與金表面接觸所產(chǎn)生的接觸電阻Rc與兩者的接觸長(zhǎng)度l3成反比，接觸長(zhǎng)度l3越大，所產(chǎn)生的接觸電阻Rc越小。

圖7（a）和7（b）分 別 是 同 一 目 標(biāo)CNT與AFM探針在點(diǎn)接觸狀態(tài)（4（d））和線接觸狀態(tài)（5（b））下，在0~1 V的低電壓下測(cè)得的I-V數(shù)據(jù)。從圖7（a）可以看出，點(diǎn)接觸狀態(tài)下I-V曲線表現(xiàn)出明顯的非線性，電路狀態(tài)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)變動(dòng)較大，此時(shí)CNT與鎢針和金表面的電學(xué)接觸并非是歐姆接觸。圖7（b）為線接觸狀態(tài)下測(cè)得I-V數(shù)據(jù)，擬合直線的擬合度R2為0.992 78，擬合直線的斜率為0.530 91，電壓-電流表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，證明CNT與鎢針和金表面的電學(xué)接觸為歐姆接觸，電路中的總電阻約為1.88 MΩ。實(shí)驗(yàn)表明，CNT與金屬接觸的電學(xué)性能與兩者的接觸狀態(tài)有直接關(guān)系，CNT與金屬表面點(diǎn)接觸狀態(tài)下電路狀態(tài)及其不穩(wěn)定。由于CNT與金屬表面線接觸狀態(tài)下的電路狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)制造或修復(fù)納米器件時(shí)，應(yīng)使CNT與金屬電極線接觸，這樣有利于提高納米器件的性能。

圖7 點(diǎn)接觸和線接觸狀態(tài)下的I-V數(shù)據(jù)Fig.7 I-V data and fitting line under point and line con‐tacts

圖8是在線接觸狀態(tài)下從開(kāi)始通電到成功切割拾取CNT整個(gè)過(guò)程中電壓和電流的關(guān)系。隨著電壓的增加，電路中的電流隨之增加，電路中的電流在17 V的電壓下突然快速下降至零，證明切割電路為斷路狀態(tài)，CNT被成功拾取。從測(cè)得的電壓電流數(shù)據(jù)可以看出，電路中的電壓-電流表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，證明所拾取的CNT表現(xiàn)為半導(dǎo)體性質(zhì)，但是在低電壓下CNT與鎢針和鍍金的AFM探針的表面接觸狀態(tài)卻表現(xiàn)出歐姆接觸。這是因?yàn)樵诘碗妷合翪NT與金屬表面產(chǎn)生的肖特基勢(shì)壘比較穩(wěn)定，對(duì)電路的影響基本可以忽略，而隨著電壓的增大勢(shì)能逐漸減小導(dǎo)致電路中的電流呈現(xiàn)非線性。

圖8 CNT斷裂時(shí)I-V數(shù)據(jù)Fig.8 I-V data when CNT fractured

5 結(jié) 論

本文基于SEM搭建微納操作機(jī)器人系統(tǒng)，提出使用鎢針和AFM探針在SEM高低放大倍率下協(xié)同操作的策略與CNT搭建切割拾取電路，通過(guò)通電切割的方法對(duì)CNT進(jìn)行拾取，建立CNT與AFM探針點(diǎn)接觸和線接觸電路模型，分析接觸位姿對(duì)電學(xué)性能的影響，并在線接觸電路模型情況下改變CNT與AFM探針的接觸長(zhǎng)度，研究接觸長(zhǎng)度對(duì)接觸電阻的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的操作方法能將CNT拾取實(shí)驗(yàn)控制在8 min左右，成功率在90%以上；CNT與鍍金的AFM探針表面線接觸狀態(tài)下，在0~1 V的低電壓下CNT與鎢針和金表面為歐姆接觸，接觸電阻與兩者的接觸長(zhǎng)度成反比；而在點(diǎn)接觸狀態(tài)下，低電壓下電路表現(xiàn)出明顯的非線性，為非歐姆接觸，證明接觸狀態(tài)對(duì)CNT與金屬接觸的電學(xué)性能有一定的影響。該操作方法和CNT與金屬接觸的電學(xué)性能測(cè)量對(duì)后續(xù)CNT快速拾取裝置的性能測(cè)量和裝配具有一定的指導(dǎo)意義。