專(zhuān)利名稱(chēng)：包括納米晶須的探針結(jié)構(gòu)、其制造方法以及形成納米晶須的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括一維納米元件的結(jié)構(gòu)，其適合用于掃描探針顯微鏡、電流注入應(yīng)用和其他應(yīng)用。“一維納米元件”是本質(zhì)上處于一維形式的結(jié)構(gòu)，它們的寬度或直徑具有納米尺寸，它們通常被稱(chēng)為納米晶須、納米棒、納米線(xiàn)、納米管等等。更具體地，但非排他地，本發(fā)明涉及包括納米晶須的結(jié)構(gòu)、相關(guān)制造方法和形成納米晶須的方法。
背景技術(shù)：
通過(guò)所謂的VLS(氣—液—固)機(jī)理在基底上形成晶須的基本工藝是眾所周知的。在有某種氣體參與的情況下，通常是金的催化材料的粒子或塊體被在基底上加熱。氣體被催化塊體吸收以形成合金。合金過(guò)飽和，固化材料的柱形成在塊體下面，且塊體升起位于柱子的頂部上。其結(jié)果是所期望材料的晶須帶有位于頂部的催化塊體(見(jiàn)E.I Givargizov，Current Topics in Materials Science，卷1，頁(yè)79-145，North Holland出版社，1978)。這類(lèi)晶須的尺寸在微米范圍內(nèi)。
雖然在有位于生長(zhǎng)的晶須尖端的催化粒子參與的情況下被催化的納米晶須的生長(zhǎng)傳統(tǒng)上一直被稱(chēng)作VLS(氣—液—固工藝)。人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到催化粒子可能不必處于液體狀態(tài)以便起晶須生長(zhǎng)的有效催化劑的作用。至少一些證據(jù)顯示用于形成晶須的材料能到達(dá)粒子—晶須界面且有助于晶須的生長(zhǎng)，即使催化粒子處于低于其熔點(diǎn)的溫度且可能處于固體狀態(tài)。在這種條件下，材料生長(zhǎng)例如隨著晶須的生長(zhǎng)加到其尖端的原子可以通過(guò)固體催化劑粒子本身而擴(kuò)散，或甚至可能沿固體催化粒子的表面擴(kuò)散到處于生長(zhǎng)溫度的晶須的生長(zhǎng)尖端。顯然，總的結(jié)果是一樣的，即，被催化粒子催化的晶須的延長(zhǎng)，不論在特定的環(huán)境溫度、催化粒子成分、晶須的預(yù)期成分或其他與晶須生長(zhǎng)有關(guān)的條件下確切的機(jī)理可能是什么。對(duì)這一應(yīng)用來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)“VLS工藝”或“VLS機(jī)理”或相當(dāng)?shù)男g(shù)語(yǔ)傾向包括所有這類(lèi)催化過(guò)程，其中納米晶須生長(zhǎng)被與納米晶須的生長(zhǎng)尖端相接觸的粒子、液體或固體催化。
國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)No.WO 01/84238在圖15和16公開(kāi)了形成納米晶須的方法，其中來(lái)自浮質(zhì)的納米尺寸粒子沉積在基底上且這些粒子被用作為產(chǎn)生單纖維或納米晶須的種子。
對(duì)這一技術(shù)要求來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)納米晶須傾向指具有納米尺寸最好是500nm或更小直徑或橫截面的一維納米元件。
由于在二十世紀(jì)八十年代期間掃描隧道顯微鏡的發(fā)展，借助于與表面緊緊靠近或接觸的納米尺寸的尖端，對(duì)表面在原子尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)和處理有深入研究。當(dāng)移動(dòng)尖端橫過(guò)表面時(shí)，STM根據(jù)在尖端和樣品表面之間流動(dòng)的隧道電流的原理而運(yùn)行。發(fā)展了各種其他的根據(jù)某些不同原理在原子水平來(lái)檢驗(yàn)表面的顯微鏡。這包括例如借助于安裝在可彎曲的懸臂梁上的尖端檢測(cè)表面的電子排斥力的原子力顯微鏡、借助于磁性尖端測(cè)量吸引或排斥的磁力的顯微鏡、以及檢測(cè)樣品表面所產(chǎn)生的熱量的顯微鏡(見(jiàn)www.nomoworld.org)。所有這些顯微鏡屬于被稱(chēng)為掃描探針顯微鏡(SPM)一類(lèi)。對(duì)這一技術(shù)要求來(lái)說(shuō)，術(shù)語(yǔ)掃描探針顯微鏡被理解為包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和其他包括在樣品表面上移動(dòng)的用于在納米或原子尺度測(cè)定表面特性的非常細(xì)小的尖端的顯微鏡。
STM的最初形式包括安裝在壓電管上的尖端。到樣品表面的隧道電流被監(jiān)測(cè)，且在尖端和表面之間的距離被調(diào)節(jié)到以維持隧道電流恒定。如今，這種STM的尖端通常包括一個(gè)Pt/Ir金屬絲，通過(guò)用切削工具和鉗子切削和拉拔金屬絲形成尖端。STM尖端的另一種常見(jiàn)形式是端部被蝕刻的鎢金屬絲。這兩種尖端都具有尺寸在納米范圍內(nèi)的自由端部。
AFM的一種所知結(jié)構(gòu)使用微機(jī)械加工的可彎曲的硅懸臂梁，整個(gè)硅尖端從梁的自由端部直立，隨著尖端在表面上移動(dòng)梁的彎曲程度被測(cè)量(參見(jiàn)例如the McGraw Hill Encyclopaedia for Science and Technology，第七版)。尖端的端部通常具有在納米范圍內(nèi)的尺寸。
在Samuelson等人，Physica Scripta，卷T42，頁(yè)149-152(1992)，標(biāo)題為“Tunnel-Induced Photon Emission in Semiconductors Using anSTM”文章中，在圖6中顯示了具有磷化鎵的三角形半導(dǎo)體尖端的STM。為了允許用于在半導(dǎo)體表面上獲得光子發(fā)射的P型或N型載流子的隧道電流，各種類(lèi)型的尖端材料都被建議，如圖5所示。這通過(guò)提供由窄頻帶的低能電子形成的隧道電流而完成，低能電子可以隨被這個(gè)裝置探測(cè)的半導(dǎo)體表面的特殊電子態(tài)特征(也就是說(shuō)，能帶隙)被諧振地注入。
通過(guò)粘合碳納米管到懸臂梁的端部，碳納米管曾被建議用于SPM的尖端。然而，粘合劑也許會(huì)失效，特別是當(dāng)SPM被浸入到流體中時(shí)。另外，原則上，當(dāng)同時(shí)注入來(lái)自尖端的非常寬的電子態(tài)頻帶時(shí)，這種SPM尖端將會(huì)和傳統(tǒng)金屬SPM尖端一樣遭受同樣的局限性。
納米技術(shù)在磁性應(yīng)用中是眾所周知的。參見(jiàn)，例如屬于Leiber的US-A-5,997,832和WO97/31139，它描述了各種材料的納米棒，其中一些是磁性的。使用納米技術(shù)發(fā)展用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用途的薄膜在Shouheng Sun等人，Science，卷287，2000年3月，標(biāo)題為“Monodisperse FePtNanoparticles and Ferromagnetic Nanocrystal Superlattices”的文章中被描述。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，難題出現(xiàn)在有效注入自旋極化電子到自旋電子裝置中。曾建議使用具有鐵磁尖端的SPM用于這種通過(guò)真空隧道過(guò)程的注入。(Wolf等人，Science，卷294，頁(yè)1488-1495，2001年11月16日，在頁(yè)1491上。)也參見(jiàn)Orgassa等人，Nanotechnology 12，頁(yè)281-284，(2001年)。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，本發(fā)明提供一種用于掃描探針顯微鏡的納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，包括尖端元件、和從尖端元件的自由端部凸出且與其構(gòu)成整體的納米晶須。
因此，提供一種可以被用作用于掃描隧道顯微鏡(STM)、AFM和其他形式的SPM的探針，其所導(dǎo)致的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下所闡述。尖端元件可以是任何所需形狀，例如管狀、錐形或三角形。在STM的常見(jiàn)形式中，尖端元件構(gòu)成金屬絲的端部區(qū)域，且納米晶須可以被形成在金屬絲端部的特制區(qū)域。另外，取決于預(yù)期應(yīng)用，尖端元件可以被形成為安裝在基底或其他適當(dāng)支撐上的單獨(dú)元件。尖端元件和納米晶須通常都由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料形成，以允許電流流過(guò)，但是取決于用作度量的物理參數(shù)也可能存在絕緣材料被采用的情況。
用STM的測(cè)量通常是用于在原子尺度非常詳細(xì)地檢測(cè)表面特征。另一方面，用AFM的測(cè)量更多的是用于在大些的納米尺度檢測(cè)所設(shè)計(jì)的納米結(jié)構(gòu)。其中，通常的情況是，探針機(jī)構(gòu)趨向于用于原子力測(cè)量，尖端支撐元件可以包括一個(gè)具有預(yù)定尺寸和機(jī)械性能的，特別是彈性的，可彎曲的細(xì)長(zhǎng)元件或橫梁。探針結(jié)構(gòu)然后適合用于原子力顯微鏡(AFM)中。尖端元件可以與橫梁構(gòu)成整體，其中橫梁具有適當(dāng)?shù)牟牧?，例如，硅。其他形式的尖端支撐元件可以被使用，例如V形支撐元件。
因此更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供一種納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，包括可彎曲支撐元件，支撐元件在其或臨近其自由端部具有直立的尖端元件；以及從尖端元件的自由端部凸出且與其構(gòu)成整體的納米晶須。
在第二方面，本發(fā)明提供一種形成用于掃描探針顯微鏡的納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)的方法，包括提供尖端元件；和形成從尖端元件凸出的納米晶須。
在優(yōu)選實(shí)施例中，納米晶須的形成包括
在尖端元件的自由端部設(shè)置預(yù)定體積的催化材料塊體；和在一定條件下加熱塊體并暴露塊體到預(yù)定類(lèi)型的氣體，以便通過(guò)VLS工藝形成從尖端元件直立的納米晶須。
根據(jù)本發(fā)明，有可能在尖端元件的端部形成多于一個(gè)的納米晶須。多于一個(gè)的尖端元件可以被提供，每個(gè)尖端元件具有形成在其上的一個(gè)或多個(gè)納米晶須。這些尖端元件可以被安裝在單個(gè)支撐上，或可以被獨(dú)立地安裝以便獨(dú)立移動(dòng)。
在至少一個(gè)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，尖端元件被安裝到硅或其他導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的懸臂梁上，且具有通常在微米范圍內(nèi)的預(yù)定尺寸。橫梁具有預(yù)定的機(jī)械性能，特別是響應(yīng)施加到橫梁端部的力的預(yù)定彈性。橫梁在其自由端部形成有直立的尖端元件。其中橫梁具有諸如硅等的適當(dāng)材料，尖端元件通過(guò)諸如微機(jī)械加工等的適當(dāng)工藝與橫梁整體形成。
納米晶須被形成在尖端元件的最端部且最好通過(guò)在我們2003年7月7日已提交的待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/613,071和2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中已描述的過(guò)程生長(zhǎng)，這些專(zhuān)利申請(qǐng)的內(nèi)容在這里通過(guò)參考引入。通過(guò)例如納米印刷光刻(NIL)的光刻工藝、或金納米粒子的沉積，在尖端元件的端部設(shè)置定金或其他催化材料的區(qū)域。當(dāng)在生長(zhǎng)外延儀器中被加熱時(shí)，金區(qū)域聚結(jié)且形成催化熔融物。引入生長(zhǎng)系統(tǒng)的氣體被熔融物吸收，且形成共晶合金。一旦過(guò)飽和，所需成分的固化材料例如砷化鎵沉積在熔融物與下面的半導(dǎo)體晶體之間的界面上。采用這種方法，一個(gè)柱形成，且該柱被稱(chēng)為納米晶須或納米線(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的掃描探針顯微鏡具有的特征是，可以提供注入載體的極窄的能量分布。因此提供了一種用于檢測(cè)樣品表面的非常精確和靈敏的工具。極窄的能量分布可以通過(guò)使用簡(jiǎn)并摻雜大能帶隙半導(dǎo)體納米線(xiàn)材料(例如，GaP、GaN、ZnO)獲得，它能在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中產(chǎn)生能量范圍在約10mev的自由電子，這個(gè)基本上與特定材料無(wú)關(guān)。另外，通過(guò)使用納米線(xiàn)中所設(shè)計(jì)的諧振隧道結(jié)構(gòu)，大約1mev的更小能量分布可以獲得。由在不同能帶隙材料之間的納米線(xiàn)內(nèi)的一系列異質(zhì)結(jié)組成的諧振隧道結(jié)構(gòu)在我們2003年7月7日已提交的待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/613,071和2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中非常充分地進(jìn)行了描述，其內(nèi)容在這里通過(guò)參考引入，并且除了氣體組分在納米線(xiàn)生長(zhǎng)期間迅速地轉(zhuǎn)變以產(chǎn)生不同材料的區(qū)段外，諧振隧道結(jié)構(gòu)主要通過(guò)上面描述的工藝形成。
在任一種情況下，納米晶須沿其長(zhǎng)度可以具有恒定的直徑橫截面，或最好是錐形的或圓錐形的形狀。預(yù)期形狀通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件主要是溫度而產(chǎn)生，如我們2003年7月7日已提交的待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/613,071和2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中所描述的。
納米晶須可以制成非常精確的尺寸，特別是其直徑，它能被精確地形成小于10nm的、僅僅幾個(gè)納米的尺寸。通常，納米晶須的直徑可以在5-50nm范圍內(nèi)優(yōu)選預(yù)定。它的長(zhǎng)度主要在大約100nm到幾個(gè)微米之間選擇。如此形成的納米晶須在探針尖端結(jié)構(gòu)中構(gòu)成一個(gè)尺寸精確且具有預(yù)定特性的元件。當(dāng)它通過(guò)上面的工藝與懸臂梁整體(整體式)形成時(shí)，它在使用中很安全可靠，并具有與探針結(jié)構(gòu)的其余部分的完美、連續(xù)且無(wú)阻抗的電連接。這與采用粘結(jié)到橫梁上的碳納米管的布置不同，例如，采用納米管具有丟失尖端的危險(xiǎn)性，特別是當(dāng)浸入到流體中時(shí)，且在納米管和SPM之間還可能存在很大的電阻。
殘留在納米晶須端部的催化材料的熔融物在某些情況下可能是不期望的；例如，它可能影響穿過(guò)納米晶須的電子流的能量分布，且晶須端部的形狀可能不是特別很好限定。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，熔融物可以被去除。在一個(gè)最優(yōu)實(shí)施例中，使用我們2003年7月7日已提交的待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/613,071和2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中所描述的技術(shù)，通過(guò)生長(zhǎng)條件的適當(dāng)改變以及替換反應(yīng)室中的不同氣體以便用與納米晶須的主要或相鄰部分不同材料的一段“犧牲”區(qū)段的短區(qū)段以終止生長(zhǎng)，納米晶須的生長(zhǎng)可以完成。例如，犧牲材料可以是InAs而晶須是GaAs，或犧牲材料可以是GaAs而晶須是InAs。這種犧牲材料可以在以后通過(guò)選擇的蝕刻被去除，因此去除掉催化(例如金)粒子并形成終止晶須的新表面。另外，蝕刻可以產(chǎn)生尖銳圓形或尖頭的晶須端部，以便更精確。
在另一方面，本發(fā)明提供一種形成納米晶須的工藝，包括提供催化材料塊體，并在預(yù)定操作條件下暴露塊體到一種或多種氣體，以便通過(guò)VLS工藝形成納米晶須；通過(guò)改變至少一個(gè)操作條件終止納米晶須的生長(zhǎng)，以在納米晶須的端部提供與納米晶須相鄰部位材料不同的材料的區(qū)段；和在形成納米晶須后，選擇性蝕刻該不同材料以便去除其上的該不同材料和催化材料塊體。
作為金催化材料的另一個(gè)選擇，催化材料可以包括諸如Ga或In等的III族金屬，這些金屬包括在將形成納米晶須的材料中。納米晶須可以簡(jiǎn)單地僅由III族金屬形成，或與V族材料形成半導(dǎo)體化合物的金屬形成。在任一情況下，納米晶須形成以后殘留在納米晶須自由端部的催化熔融物與納米晶須剩余部分的材料是相同的，在某些情況下這可能是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明期望在生物檢測(cè)應(yīng)用中使用探針結(jié)構(gòu)。生物檢測(cè)技術(shù)可以被看作任何利用諸如尤其是核酸、蛋白質(zhì)或抗體或斷片等的生物分子的檢測(cè)方法，結(jié)合或放大交互作用是典型的。根據(jù)本發(fā)明，包括在SPM尖端的納米晶須可以具有用于粘合預(yù)定分子到其上的涂層、或包括生物活性分子的涂層。
根據(jù)本發(fā)明這方面，包括在SPM尖端的納米晶須特別適合作為精確定位傳感器用于檢測(cè)生物分子的參數(shù)，例如，DNA。例如，這種分子可以被定位在基底上，且AFM可以被布置成在基底表面上方掃描，并測(cè)定DNA的特性。另外，包括在SPM尖端的納米晶須可以由硅或其他可氧化材料形成。納米晶須被氧化以沿其長(zhǎng)度形成氧化物環(huán)繞層，但是金或其他催化種子粒子熔融物在仍未氧化納米晶須的自由端部。因此這提供了一種用于檢測(cè)生物表面的高精度探針，其中交互作用發(fā)生在精確限定的區(qū)域。這允許在高度方向以及平面方向測(cè)定分子，從而能夠進(jìn)行三維XYZ測(cè)定。
另外，根據(jù)本發(fā)明，包括在SPM尖端的納米晶須沿其長(zhǎng)度具有一系列不同材料的區(qū)段，以便在異質(zhì)結(jié)之間產(chǎn)生尺寸非常小的發(fā)光二極管，例如，小到20nm3。這種二極管的波長(zhǎng)可以通過(guò)適當(dāng)選擇材料和尺寸預(yù)定到期望值。當(dāng)適當(dāng)激發(fā)時(shí)，該二極管能被布置成在需要時(shí)發(fā)射單個(gè)光子，這能被用來(lái)照射生物樣品(例如，組織、細(xì)胞或分子)。用電磁輻射照射生物樣品是一種用于確定分子、磷光、熒光等等的光學(xué)吸收的很靈敏的工具。
關(guān)于磁性應(yīng)用，在本發(fā)明中，具有納米晶須的探針尖端結(jié)構(gòu)被用于進(jìn)入電路的電流注入目的，其中形成電流的電子應(yīng)該被精確確定自旋參數(shù)。例如，在納米晶須由諸如MnInAs、MnGaAs、MnAs等的磁性材料或半磁性材料形成時(shí)，自旋極化電子可以從晶須的尖端被發(fā)射(半磁性材料是包括磁性離子稀釋濃度的半導(dǎo)體化合物，例如Mn)。盡管尖端結(jié)構(gòu)可以被設(shè)置在任何合適的支撐元件上，例如剛性基底或金屬絲，由于橫梁的彈性提供了可靠接觸，最好使用懸臂梁的構(gòu)造，且橫梁和尖端結(jié)構(gòu)的尺寸與電子被注入的電路的尺寸相適應(yīng)。
作為另一個(gè)選擇，懸臂梁和尖端元件由用于在電子進(jìn)入納米晶須之前極化和排列電子自旋的鐵磁材料形成。納米晶須然后可以作為自旋極化電子流的管道。在不方便形成鐵磁材料納米晶須時(shí)，這可能是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是基于由適當(dāng)磁性材料形成并被使用作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的納米線(xiàn)或納米晶須的陣列，其中每一納米線(xiàn)可以被選擇性地在向上自旋或向下自旋狀態(tài)被磁化以表示“1”或“0”位。
關(guān)于鐵磁特性，納米晶須可能存在在非常小的區(qū)域里保留鐵磁性的可能性。在使用非常小、特別是單疇磁性粒子或相似結(jié)構(gòu)作為存儲(chǔ)元件的磁存儲(chǔ)裝置中有很多值得注意之處。然而，人們知道隨著鐵磁單疇的尺寸被減小，達(dá)到在其之下鐵磁狀態(tài)不能存在的極限，且磁疇即單個(gè)粒子呈現(xiàn)所有原子的磁矩仍排成一行形成與鐵磁體中一樣的聚集的大磁矩的超順磁性狀態(tài)，但是其中這個(gè)巨大自旋的方向不再如它在鐵磁體中一樣鎖定到限定的方向。對(duì)于球形磁性粒子這個(gè)極限大約為50nm。然而，當(dāng)磁疇例如鐵磁疇被包括在納米晶須中時(shí)，磁疇停止具有鐵磁性并經(jīng)歷轉(zhuǎn)變成為超順磁性狀態(tài)的直徑能被減小，因?yàn)榧{米晶須的一維特征傾向于限制磁性材料離子(或原子)的磁矩的可能的再取向。晶須的材料可由鐵、鈷、錳或其合金制成。其他可能的材料包括砷化錳(鐵磁性)。從而，對(duì)于特定的材料，就可能減小形成在納米晶須中的鐵磁疇的尺寸以便小于傳統(tǒng)的最低極限。因此，通過(guò)形成為具有10nm或更小直徑的納米晶須，至少對(duì)于一些磁性材料在10nm或更小的橫向尺寸時(shí)鐵磁特性可以被保留。這種非常小的鐵磁元件在磁存儲(chǔ)裝置的領(lǐng)域中具有明顯的用途。
因此，根據(jù)本發(fā)明，就可能制備能被選擇性磁化且產(chǎn)生能被檢測(cè)到的磁通量的更小磁存儲(chǔ)元件。對(duì)于磁性半導(dǎo)體材料，納米線(xiàn)(納米晶須)幾何對(duì)稱(chēng)的減小有可能產(chǎn)生更高的居里溫度。另外，組合具有不同晶格常數(shù)的材料(在晶須內(nèi))的自由可增強(qiáng)新磁性半導(dǎo)體的使用，諸如MnGaP和MnGaN等，它們可具有在室溫以上的居里溫度。另外，可以使用包括諸如Fe、Co、Ni的元素的金屬鐵磁材料。
通常，本發(fā)明可以通過(guò)鐵磁材料、半磁性材料(半導(dǎo)體基體中的磁性離子稀釋溶液)或其他諸如鐵磁的合適的磁性材料而實(shí)現(xiàn)。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種包括磁性材料的納米晶須，納米晶須的直徑使得單個(gè)鐵磁疇存在于納米晶須中。最好納米晶須的直徑不大于約25nm，最好不大于10nm。
取決于具體的納米晶須生長(zhǎng)條件，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的納米晶須可以是大體上圓柱形的，且具有恒定直徑，或可以具有稍微錐形的形式。其中沿納米晶須的長(zhǎng)度直徑不是嚴(yán)格地恒定，納米晶須的直徑被看作是平均值。
在另一方面，本發(fā)明提供一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括納米元件優(yōu)選是納米晶須的陣列，每一納米晶須包括磁性材料，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)還包括用于在第一或第二磁化方向中的任一方向選擇性地磁化每一納米晶須、且檢測(cè)每一納米晶須的磁化方向的讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)。
檢測(cè)裝置優(yōu)選包括SPM型布置，使其懸臂支撐設(shè)置有尖端元件和用于提供自旋極化電子流的納米晶須，如上所述。這種尖端結(jié)構(gòu)(尖端元件和納米晶須)可以橫過(guò)陣列移動(dòng)以?huà)呙杓{米元件，且可以被選擇性地定位成與納米元件對(duì)齊，以檢測(cè)磁化方向。納米元件對(duì)電流的阻抗提供磁化方向的指示。寫(xiě)入磁化方向的裝置可以包括用于檢測(cè)的裝置，但其中自旋極化電流的大小被極大地增加以迫使納米元件處入所需磁化方向。另外，單獨(dú)的寫(xiě)入頭可以被設(shè)置，它包括(僅僅是示例)尖端，尖端可被強(qiáng)烈磁化以通過(guò)它的磁場(chǎng)選擇性地磁化納米元件。
在另一方面，本方面提供一種形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的方法，包括在基底的預(yù)定位置形成催化材料塊體；和在每一位置生長(zhǎng)磁性材料的納米晶須且具有使得僅僅單個(gè)鐵磁疇存在于納米晶須中的尺寸。


將參考附圖描述發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例，其中圖1a-1f顯示在形成構(gòu)成本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的用于原子力顯微鏡(AFM)的尖端的過(guò)程中的步驟；圖2a和2b顯示包括用于掃描隧道顯微鏡(STM)的尖端的本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例；圖3顯示適用于確定生物樣品特性的本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例；圖4顯示包括納米結(jié)構(gòu)的本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例，該納米結(jié)構(gòu)形成用于電流注入自旋極化電子到自旋電子電路的機(jī)構(gòu)；圖5a-5c顯示包括形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的磁性材料納米晶須陣列的本發(fā)明第五個(gè)實(shí)施例；以及圖6a-6e顯示用于形成納米晶須陣列的工藝。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參考圖1，用于AFM的尖端包括硅橫梁2，它被微機(jī)械加工(例如蝕刻)以形成例如長(zhǎng)度在100到500μm之間的矩形細(xì)長(zhǎng)棒且具有50×5μm的矩形橫截面。這使得棒有預(yù)定的彎曲彈性。該彈性使得該結(jié)構(gòu)適合用于AFM中。在橫梁2一端，圓錐尖端4與橫梁整體地形成，具有10μm寬基部和20μm的高度。尖端4的最末端6具有大約20nm寬的尺寸。
如圖1b中所示，金制的體積10被附著到尖端的端部6。各種技術(shù)可以被采用以執(zhí)行這一步驟。例如，通過(guò)浸入端部6到包括金離子的溶液里且采用尖端作為一對(duì)電極中的一個(gè)電極并在電極之間施加電壓，金10可以被電解電鍍。另外，在分子束裝置中可以將一束分子對(duì)準(zhǔn)端部6。分子是包括金離子的有機(jī)金屬類(lèi)。在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，入射的分子在端部6分裂，金離子粘結(jié)到端部6。作為另一種選擇，通過(guò)暴露尖端到金的浮質(zhì)，金的浮質(zhì)微滴可以被附著到尖端的端部。理想地是電壓被施加到尖端，以便通過(guò)端部6區(qū)域中的電場(chǎng)吸引微滴。由于這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是簡(jiǎn)單明了的，沒(méi)有一個(gè)在此做說(shuō)明。
在端部6上形成金制的體積10以后，橫梁2然后被移動(dòng)到化學(xué)束磊晶(CBE)儀器14中，圖1c。橫梁2被加熱到大約400℃的溫度，以便金溶解并聚結(jié)成粒子12。包括鎵、TMGa(三甲基鎵)或TEGa(三乙基鎵)的有機(jī)分子束然后被注入源室14，且包括例如TBAs(三丁化砷)或AsH3的砷化物離子被引入到室中。TBAs材料被所采用的高溫分解，其中III族分子、TMGa或TEGa被分解到樣品表面。在任何情況下，鎵和砷原子被金催化的粒子6吸收從而形成共晶合金。隨著進(jìn)一步吸收，共晶合金過(guò)飽和且砷化鎵在粒子12與尖端自由端的表面之間沉積，由此形成納米晶須柱16。這一過(guò)程在我們2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中非常充分地進(jìn)行了描述。依據(jù)所采用的溫度，納米晶須可以是完美圓柱形，或更優(yōu)選地，它形成為圓錐形。納米晶須的直徑取決于金10的初始面積和粒子12的生成直徑。所生成的AFM的尖端被顯示在圖1d中。
如圖1d中示意地所示，就這樣形成了用于原子力顯微鏡或其他顯微儀器的具有新特性的尖端，即所注入的載體的非常窄的能量分布可以被設(shè)計(jì)并被控制。這種窄的能量分布可以通過(guò)使用簡(jiǎn)并摻雜的大能帶隙半導(dǎo)體納米線(xiàn)材料(例如，GaP、GaN、ZnO)獲得，它能在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中產(chǎn)生能量范圍在約10mev的自由電子，這個(gè)基本上與特定材料無(wú)關(guān)。另外，通過(guò)使用納米線(xiàn)中所設(shè)計(jì)的諧振隧道結(jié)構(gòu)，大約1mev的更小能量分布可以獲得。由在不同能帶隙材料之間的納米線(xiàn)內(nèi)的一系列異質(zhì)結(jié)組成的諧振隧道結(jié)構(gòu)在我們待審美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/613,071和2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929中非常充分地進(jìn)行了描述，其內(nèi)容這里通過(guò)參考引入，并且除了氣體組分在納米線(xiàn)生長(zhǎng)期間迅速地轉(zhuǎn)變以產(chǎn)生不同材料的區(qū)段外，諧振隧道結(jié)構(gòu)主要通過(guò)上面描述的工藝形成。這在圖1e中示意性地顯示，其中納米晶須16包括結(jié)合低能帶隙材料的傳導(dǎo)區(qū)段18的寬能帶隙材料的區(qū)段17，以形成諧振隧道二極管(RTD)。
在另一個(gè)可選擇的結(jié)構(gòu)中，區(qū)段18的材料和它沿納米晶須長(zhǎng)度的寬度被選擇，以便產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管，這參考2003年7月8日已提交的國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)PCT/GB03/002929的圖15和圖16非常充分地進(jìn)行了描述。二極管可以非常小(20nm3)以至于它可以被當(dāng)作點(diǎn)源，且二極管可以被精確地控制以便能夠“按要求”發(fā)射單個(gè)光子。這可以被使用測(cè)繪和掃描生物分子，如上所述。
如圖1f所示，在另一個(gè)可選擇的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)迅速地轉(zhuǎn)變CBE室中的氣體組分，諸如InAs等的犧牲材料的短區(qū)段20被形成在GaAs納米晶須的一端。隨后利用合適酸的蝕刻工藝去除區(qū)段20以及金粒子熔融物12。在這個(gè)示例中，剩余的納米晶須16具有相同的材料(雖然它可以包括不同材料的部分或區(qū)段)，且具有很好限定的端部，蝕刻工藝產(chǎn)生尖頭的或尖銳的圓形端部22。在其端部的金屬絲的直徑可以在5到25nm之間。盡管原則上晶須能由更小直徑制成，但發(fā)現(xiàn)這一范圍對(duì)AFM的預(yù)期應(yīng)用是適合的。這個(gè)構(gòu)造具有的優(yōu)點(diǎn)是它需要有一個(gè)流經(jīng)納米晶須的、很好限定的電子流。
如上所述，雖然AFM尖端具有可彎曲的懸臂梁，對(duì)于其他應(yīng)用，這不是必須的，且剛性基底或其他支撐元件可以替代橫梁。
圖2a和2b顯示根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的用于STM的探針。在圖2a中，支撐24安裝有包括保持在保持器28中的金屬絲尖端元件26的STM尖端結(jié)構(gòu)。金屬絲26的端部如圖2b所示在30處是錐形的。根據(jù)上面參考圖1b到圖1g所描述的工藝，納米晶須34形成在端部。由于STM應(yīng)用通常需要原子尺度測(cè)量，納米晶須可以具有非常小的直徑，至少在其尖端，比方說(shuō)10nm或更小，或小于5nm。
現(xiàn)在參考圖3，顯示了包括AFM的尖端結(jié)構(gòu)的第三個(gè)實(shí)施例，具有完整納米晶須，其中與圖1中相同的部分用相同的參考標(biāo)號(hào)表示。納米晶須36通過(guò)上面所描述的方法形成。晶須由硅形成，且在一端具有金粒子熔融物12。形成晶須之后，晶須被暴露在溫度適宜的大氣中以便硅氧化。這形成圍繞晶須并沿其長(zhǎng)度延伸的二氧化硅外殼38。金粒子熔融物12仍然處于未氧化狀態(tài)。
由于與生物樣品交互作用的區(qū)域被非常精確地界定，因此這提供了一種很適合精確檢驗(yàn)生物樣品的結(jié)構(gòu)。納米晶須36、38、12可以被用于例如在尖端結(jié)構(gòu)移動(dòng)的三個(gè)方向X、Y、Z測(cè)繪生物組織的特性。
作為另一個(gè)選擇，晶須36可以被暴露在適宜材料的氣氛中，以便形成高能帶隙材料，作為氧化層38的替代物。金粒子熔融物12在任何情況下可以被涂敷酶材料或其他生物活性材料，以與生物樣品產(chǎn)生預(yù)期的反應(yīng)。
在另一個(gè)用于生物組織的三維測(cè)定和表征的結(jié)構(gòu)中，如上參考圖1e所述，發(fā)光二極管形成在納米晶須16、17、18中。光與生物組織的交互作用提供了用于表征組織的高靈敏的工具，特別是其中二極管非常小(20nm3)以至于它可以被當(dāng)作點(diǎn)源，且其中二極管能夠“按要求”發(fā)射單個(gè)光子。
現(xiàn)在參考圖4，顯示用于自旋電子學(xué)領(lǐng)域中的本發(fā)明第四個(gè)實(shí)施例。自旋電子學(xué)是其中電子裝置的特性取決于通過(guò)該裝置的電子自旋傳輸?shù)囊环N技術(shù)領(lǐng)域。在圖4中，與圖1相同的部分用相同參考標(biāo)號(hào)表示。通過(guò)上述工藝形成在尖端元件4的端部的晶須40具有磁性材料(MnInAs、MnGaAs、MnAs)或半磁性材料的性質(zhì)，包括Mn的稀釋濃度。在外加電壓V的作用下，自旋極化電子44從晶須的尖端發(fā)射，這使得與設(shè)置在基底48上的電觸點(diǎn)46電接觸。自旋極化電子44借助于隧道工藝被注入觸點(diǎn)46，然后被用于所需功能，例如讀出諸如設(shè)置在基底48上且借助于分別示意性顯示為50L和50U的上部和下部導(dǎo)電體電連接的納米柱49的磁存儲(chǔ)元件的狀態(tài)。
在第五個(gè)實(shí)施例中，如圖5a所示，納米晶須的規(guī)則陣列50形成在基底52上。只有一小部分實(shí)際陣列被顯示在圖5a中，且為了清晰，僅表示多個(gè)晶須的位置。每個(gè)晶須54具有20nm的直徑且由單個(gè)鐵磁疇組成的磁性材料(例如Fe、Co、Mn、MnAs、MnGaAs、MnInAs)形成，并可以處于如圖5b中所示的向上自旋的狀態(tài)或處于如圖5c中所示的向下自旋的狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)與納米晶須結(jié)合時(shí)，因?yàn)闇p小了一維系統(tǒng)中幾何對(duì)稱(chēng)對(duì)準(zhǔn)的可能性磁疇直徑可被減小，這使得材料的離子更難以具有多于一個(gè)的方位。晶須的材料能包括鐵、鈷、錳或其合金。
陣列50被布置為具有行和列56、58的方形矩陣。每一個(gè)納米晶須直徑為20nm，且在行和列方向與相鄰納米晶須間隔10nm的距離。通常，相鄰納米晶須的間距應(yīng)該小于它們直徑的兩倍。這個(gè)值表示在納迷晶須被盡可能緊密地堆積的要求與納米晶須充分間隔以便它們可以被單獨(dú)監(jiān)測(cè)的要求之間的折中。替代矩形矩陣，納米晶須可以被布置為任何預(yù)期的配置，諸如六角網(wǎng)格配置(密排六角)，或甚至線(xiàn)性布置。與圖4中類(lèi)似的懸臂尖端布置2、4、40被采用作為讀取/寫(xiě)入頭，其可在陣列上方移動(dòng)以便在行和列方向X、Y掃描陣列。頭移動(dòng)通過(guò)傳統(tǒng)SPM技術(shù)控制，用于直接選擇性地在頂部定位成與每一納米晶須對(duì)齊。
在讀取或讀出模式中，頭2、4、40發(fā)射自旋極化電子的弱電流到相鄰納米晶須中。納米晶須對(duì)電流流動(dòng)的阻抗提供磁化方向的指示。
在寫(xiě)入模式中，從頭發(fā)射的自旋極化電子的電流大小被極大地增加且當(dāng)流過(guò)納米晶須時(shí)足夠迫使納米晶須處入所需磁化方向。
至于形成納米晶須陣列的工藝，在所需納米晶須54的位置，通過(guò)NIL工藝金催化區(qū)域形成在基底52上。這顯示在圖6a-e中，這些圖是一行位置的一部分的剖視圖。在圖6a中，基底52在其上表面上形成一層可變形的聚合物60。聚合物已通過(guò)剛性沖壓(未顯示)變形，以便在納米晶須的預(yù)期位置62形成矩形凹部。聚合物然后被蝕刻，以便去除凹部位置62的聚合物，且一層金64被施加。結(jié)果顯示在圖6b中，其中金64在預(yù)期位置與基底接觸，且在別處被設(shè)置在剩余聚合物60的頂部。最后，如圖6c中所示，另一個(gè)蝕刻步驟去除其余的聚合物區(qū)域，留下在納米晶須位置62的金制區(qū)域66。
基底然后被轉(zhuǎn)移到外延生長(zhǎng)反應(yīng)室中，在此施加熱量使得金制區(qū)域聚結(jié)成粒子12，如圖6d所示。氣體被引入到反應(yīng)室中，納米晶須54通過(guò)VLS工藝生長(zhǎng)，如圖6e所示。納米線(xiàn)被精確地形成，且準(zhǔn)確地位于所需位置。如果需要，如前面所描述的，后續(xù)蝕刻步驟可以去除在納米線(xiàn)端部的金制粒子。
權(quán)利要求
1.一種用于掃描探針顯微鏡的納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，包括從支撐元件直立的尖端元件、和在尖端元件的自由端部生長(zhǎng)且從尖端元件的自由端部凸出的納米晶須。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，支撐元件包括具有預(yù)定尺寸和機(jī)械性能的可彎曲元件，直立的尖端元件位于或臨近可彎曲元件的自由端部。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，可彎曲元件包括細(xì)長(zhǎng)橫梁。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括摻雜的大能帶隙半導(dǎo)體材料，以在使用時(shí)提供流過(guò)其中的電子的窄能量分布。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)，諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)包括一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
6.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿納米晶須的長(zhǎng)度設(shè)置被插入到生物材料的同軸層材料。
8.如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須由硅形成，且同軸層是二氧化硅。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋極化電子流。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一種。
11.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須僅僅具有單個(gè)鐵磁疇。
12.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，可彎曲元件由磁性材料形成。
13.一種納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，包括可彎曲的支撐元件，支撐元件具有在或臨近支撐元件自由端部形成的直立尖端元件；以及生長(zhǎng)在尖端元件自由端部的納米晶須。
14.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，可彎曲支撐元件包括細(xì)長(zhǎng)橫梁。
15.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括摻雜的大能帶隙半導(dǎo)體材料，以在使用時(shí)提供流過(guò)其中的電子的窄能量分布。
16.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)，諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)包括一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
17.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)包括一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
18.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿納米晶須的長(zhǎng)度設(shè)置被插入到生物材料的同軸層材料。
19.如權(quán)利要求18所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須由硅形成，且同軸層是二氧化硅。
20.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋極化電子流。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一種。
22.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，納米晶須僅僅具有單個(gè)鐵磁疇。
23.如權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，可彎曲元件由磁性材料形成。
24.一種形成用于掃描探針顯微鏡的納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)的方法，包括提供尖端元件；在尖端元件的自由端部設(shè)置催化材料塊體；和在一定條件下加熱塊體并將塊體暴露到預(yù)定類(lèi)型的氣體中，以便通過(guò)VLS工藝形成從尖端元件直立的納米晶須。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料塊體包括通過(guò)電解工藝設(shè)置在尖端元件自由端部的材料。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料塊體包括通過(guò)在其上沉積浮質(zhì)粒子設(shè)置在尖端元件自由端部的材料。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，納米晶須由摻雜的大能帶隙半導(dǎo)體材料形成，以在使用時(shí)提供流過(guò)其中的電子的窄能量分布。
28.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，納米晶須被形成為包括諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)，諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)具有一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
29.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，納米晶須被形成為包括發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)具有一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
30.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，納米晶須由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋極化電子流。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，納米晶須包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一種。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，納米晶須僅僅具有單個(gè)鐵磁疇。
33.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，尖端元件被安裝在預(yù)定尺寸的可彎曲支撐元件上，且其中可彎曲支撐元件由磁性材料形成。
34.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，催化材料與納米晶須是相同材料。
35.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，納米晶須由可氧化材料形成，且該方法還包括暴露納米晶須到氧化環(huán)境，以便沿納米晶須的長(zhǎng)度形成同軸氧化物層。
36.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，還包括通過(guò)改變至少一個(gè)操作條件終止納米晶須的生長(zhǎng)，以在納米晶須的端部提供與納米晶須相鄰部位材料不同的材料的區(qū)段；和選擇性蝕刻該不同材料以便從納米晶須去除該不同材料和催化材料。
37.一種形成納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)的方法，包括在具有預(yù)定尺寸和機(jī)械性能的可彎曲支撐元件的自由端部或附近設(shè)置直立的尖端元件；在尖端元件的自由端部設(shè)置催化材料塊體；和在一定條件下加熱塊體并將塊體暴露到預(yù)定類(lèi)型的氣體，以便通過(guò)VLS工藝形成從尖端元件直立的納米晶須。
38.如權(quán)利要求37的方法，其特征在于，支撐元件包括細(xì)長(zhǎng)橫梁。
39.如權(quán)利要求37的方法，其特征在于，催化材料塊體包括通過(guò)電解工藝或通過(guò)浮質(zhì)粒子的沉積設(shè)置在尖端元件自由端部的材料。
40.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，納米晶須由摻雜的大能帶隙半導(dǎo)體材料形成，以在使用時(shí)提供流過(guò)其中的電子的窄能量分布。
41.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，納米晶須被形成為包括諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)，諧振隧道二極管結(jié)構(gòu)具有一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
42.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，納米晶須被形成為包括發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)具有一系列不同能帶隙的半導(dǎo)體材料的區(qū)段。
43.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，納米晶須由磁性材料或半磁性材料形成，并能提供自旋極化電子流。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，納米晶須包括MnInAs、MnGaAs或MnAs中的一種。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，納米晶須僅僅具有單個(gè)鐵磁疇。
46.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，支撐元件由磁性材料形成。
47.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，催化材料與納米晶須是相同材料。
48.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，納米晶須由可氧化材料形成，且該方法還包括將納米晶須暴露到氧化環(huán)境，以便沿納米晶須的長(zhǎng)度形成同軸氧化物層。
49.如權(quán)利要求37所述的方法，其特征在于，還包括通過(guò)改變至少一個(gè)操作條件終止納米晶須的生長(zhǎng)，以在納米晶須的端部提供與納米晶須相鄰部位材料不同的材料的區(qū)段；和選擇性蝕刻該不同材料以便從納米晶須去除該不同材料和催化材料。
50.一種形成納米晶須的工藝，包括提供催化材料塊體，并在預(yù)定操作條件下將塊體暴露到一種或多種氣體，以便通過(guò)VLS工藝形成納米晶須；通過(guò)改變至少一個(gè)操作條件終止納米晶須的生長(zhǎng)，以在納米晶須的端部提供與納米晶須相鄰部位材料不同的材料的區(qū)段；和選擇性蝕刻該不同材料以便從納米晶須去除該不同材料和催化材料。
51.如權(quán)利要求50所述的工藝，其特征在于，納米晶須的端部被蝕刻以產(chǎn)生尖銳圓形或尖頭的端部。
52.一種由磁性材料形成的納米晶須，其中，僅有單個(gè)鐵磁疇存在于納米晶須內(nèi)，且納米晶須的直徑小于大約25nm。
53.一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，包括形成在基底上的納米晶須，每一納米晶須由磁性或半磁性材料形成；和讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)，可用于在兩個(gè)磁化方向中的任一方向選擇性激勵(lì)每一納米晶須、且檢測(cè)每一納米晶須的磁化方向。
54.如權(quán)利要求53所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，每一納米晶須僅僅具有單個(gè)鐵磁疇。
55.如權(quán)利要求53所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，每一納米晶須具有不大于大約25nm的直徑。
56.如權(quán)利要求53所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)頭，其可在納米晶須上方移動(dòng)、且可選擇性定位在每一納米晶須上方以在其中注入自旋極化電子電流。
57.如權(quán)利要求56所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述頭是讀取/寫(xiě)入頭，其中在寫(xiě)入模式，所述頭可操作以便注入足夠強(qiáng)的自旋極化電子的電流到選定的納米晶須中，以迫使納米晶須處入所需磁化方向。
58.如權(quán)利要求56所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述頭包括納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的尖端元件、以及從尖端元件的端部凸出并與其成整體的納米晶須。
59.如權(quán)利要求58所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述尖端元件被設(shè)置在可彎曲支撐元件上。
60.如權(quán)利要求59所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，可彎曲支撐元件和納米晶須中的一個(gè)包括能夠提供自旋極化電子流的磁性或半磁性材料。
61.如權(quán)利要求53所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，每一納米晶須與其最臨近的納米晶須相間隔小于其兩倍直徑的距離。
62.一種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，包括形成在基底上的一維納米元件，每一納米元件由磁性或半磁性材料形成，用于在第一和第二相反磁化方向中的任一方向選擇性地磁化每一納米元件、且檢測(cè)每一納米元件的磁化方向的讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)，讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)包括可在納米元件上方移動(dòng)、且可選擇性定位在每一納米元件上方以便在其中注入自旋極化電子電流的頭，該頭包括納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)，納米技術(shù)的結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的尖端元件、以及從尖端元件的端部凸出并與其成整體的納米晶須。
63.一種形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的方法，包括在基底上預(yù)定位置形成催化材料塊體；和在每一位置生長(zhǎng)磁性或半磁性材料的納米晶須，使得僅有單個(gè)鐵磁疇存在于納米晶須中。
64.如權(quán)利要求52所述的納米晶須，其特征在于，具有不大于大約25nm的直徑。
65.如權(quán)利要求52所述的納米晶須，其特征在于，具有不大于大約10nm的直徑。
66.如權(quán)利要求53所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，每一納米晶須具有不大于大約10nm的直徑。
全文摘要
一種用于掃描探針顯微鏡的探針結(jié)構(gòu)包括從直立的尖端元件(4、26)的自由端部凸出并與尖端元件整體形成的納米晶須(16、34)。在另一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)包括納米晶須(54)陣列，每一納米晶須由磁性材料形成，納米晶須的直徑使得單個(gè)鐵磁疇存在于納米晶須內(nèi)，優(yōu)選具有不大于大約25nm的直徑且更優(yōu)選為不大于大約10nm；以及讀取/寫(xiě)入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括用于注入自旋極化電子流到陣列的選定納米晶須中的探針結(jié)構(gòu)，該探針結(jié)構(gòu)或者用于檢測(cè)納米晶須中的磁化方向或者用于迫使納米晶須處入所需磁化方向。當(dāng)探針納米晶須使用催化粒子熔融物通過(guò)VLS工藝形成時(shí)，晶須可以形成一個(gè)犧牲區(qū)段，用于通過(guò)選擇性蝕刻區(qū)段以去除催化材料。
文檔編號(hào)G01N23/00GK1826662SQ200480020840
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月8日
發(fā)明者拉爾斯·伊瓦爾·薩穆埃爾松, 比約恩·約納斯·奧爾松 申請(qǐng)人:庫(kù)納諾公司