專利名稱：一種單分子介電性質的測量方法
技術領域：
本發明涉及電化學測量方法領域，具體涉及一種單分子介電性質的測量方法。
技術背景
單個分子的導電性的研究具有重要的基礎理論意義，同時也具有重要的實際應用 價值。目前大部分實驗室采用伏安法，也就是通過在分子的兩端外加一定的電壓(V)來測 量流經分子的相應電流(I)，利用I-V曲線來表征分子的介電性質。這個方法很直接而且相 對比較簡單，但是在外加電壓的時候需要制備電極和被測分子進行連接，這樣就存在一個 接觸電阻問題。在微觀尺度上這個接觸電阻往往對測量結果造成很大的影響，以致影響測 量的可靠性。發明內容
本發明所要解決的技術問題為針對現有的技術背景提供一種單分子介電性質的 測量方法，能夠非接觸式地、比較準確地測試單分子介電性質。
本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為一種單分子介電性質的測量方 法，其特征在于采用振動模式掃描極化力顯微鏡，采用非接觸的方法來定性地表征單個分 子的介電性質，測量步驟為將輕敲模式(Tapping-mode)原子力顯微鏡的針尖用函數發生 器加上交流電壓(即轉變為振動模式掃描極化力顯微鏡)，將被測分子置于云母襯底上，由 于云母表面被帶電針尖極化，針尖和云母襯底表面之間就會形成電場，這個電場力我們稱 為極化力，與范德華力相比，這個極化力更大，其作用力程也更遠，被測分子對針尖的極化 力根據被測分子的介電性能而變化，根據檢測針尖振動的相位變化來表征被測分子的介電 性質。
所述的振動模式掃描極化力顯微鏡就是改造了的原子力顯微鏡，原子力顯微鏡在 輕敲模式(Tapping mode)工作時在導電針尖上加上交流電壓。
所述的交流電壓為1-lOKHz、振幅為6-8V。
與現有技術相比，本發明的優點在于本發明使用振動模式掃描極化力顯微鏡， 采用非接觸的方法來定性的表征單個分子的介電性質，不存在接觸電阻影響測量結果的問 題，而且測試方法簡單、準確。
圖1. A為針尖和樣品相互作用示意帶電針尖在云母上方，云母表面局域區域產生極化電荷；
圖1. B為針尖和樣品相互作用示意針尖在樣品(被測分子)上方，由于被測分子介電性的不同，由此引發其對針尖的 作用力不同，這個作用力會影響針尖振動的相位，檢測針尖相位的變化可以表征被測分子 的介電性質；
圖2，制備在Mica襯底表面的DNA和CcKe半導體量子點的表面形貌圖3. 1、3. 2是針尖不加偏壓情況下針尖在掃過DNA分子與量子點時振動振幅的變 化圖3. 3,3. 4是針尖加5V偏壓情況下針尖在掃過DNA分子與量子點時振動振幅的 變化圖。
具體實施方式
如圖1所示意，一種單分子介電性質的測量方法，其步驟依次為
1.首先把樣品(被測分子)制備在云母襯底上。
2.采用導電的原子力顯微鏡針尖，此時針尖上不加電壓，在原子力顯微鏡的輕敲 模式下(Tapping Mode)得到單個分子的形貌圖像。
3.然后把針尖抬起，用函數發生器在針尖上加上頻率為1-lOKHz、振幅為6-8V的 交流電壓，使用高頻交流電壓的原因是要盡量的避免云母表面的離子對測量的影響。針尖 加上電壓之后再一次進針，這時針尖和云母間的極化力可以用來維持系統的反饋，針尖在 不接觸云母(可以間隔10納米)的情況下也可以穩定成像。
4.當針尖掃描到云母上方(不在樣品上面)如圖1.A所示，針尖只和云母表面的 感應電荷有相互作用，和樣品(被測分子)沒有相互作用力。當針尖掃描到樣品上方時(如 圖1.B所示)，如果分子是導電的，那么分子在外電場(帶電針尖產生的)的作用下就會產 生大量的感應電荷，反過來，這個感應電荷會影響針尖振動，使它振動的相位發生很大的變 化。如果分子是半導體，其在外電場的作用下會產生極化電荷，但是這個極化電荷的數量非 常少，因此在被測分子是半導體的情況下分子產生的極化電荷對針尖的運動相位影響比較 小。當樣品是絕緣體時，被測分子產生的極化電荷極少，幾乎不會對針尖運動的相位產生影 響。原子力顯微鏡的相位成像(Phase Image)模式可以記錄帶電針尖在整個區域進行掃描 時針尖振動的相位信號(相位大小)，這樣針尖在樣品上方振動的相位(圖1.B)和在云母 上方(圖1. A)振動的相位之差(Δ φ就可以用來表征單個分子介電性質。
5.為了半定量的表征單個分子的介電性質，我們可以用已知電性質的標準樣品 (如金屬鎳納米顆粒和半導體Cdk量子點)，當帶有偏壓的導電針尖掃描到這些標準樣品 的時候，針尖的振動相位有相應的變化(Δ φ ιΛ，Δ φ 。把針尖在被測樣品上振動的 相位差△ Φ ^〒和在標準樣品上振動的相位差做比較，就可以得到被測分子相對的介電 性質。
應用例
我們在云母表面制備了 DNA和Cdk半導體量子點，用原子力顯微鏡的輕巧模式獲 得樣品的表面形貌圖，如圖2所示，圖片大小是5微米Χ5微米；圖3. 1,3. 2是我們在導電 針尖上不加偏壓，針尖在掃過DNA和量子點時沒有出現相位變化，可見相位變化幾乎都為 零；從圖3. 3,3. 4可見，當針尖上加上5V偏壓，在半導體量子點上面出現了相位變化，而在 DNA上邊沒有出現明顯的相位變化，說明量子點的導電性要遠遠好于DNA分子。
權利要求
1.一種單分子介電性質的測量方法，其特征在于使用振動模式掃描極化力顯微鏡，采 用非接觸的方法來定性地表征單個分子的介電性質，測量步驟為將振動模式掃描極化力 顯微鏡的針尖加上交流電壓，將被測分子置于云母上，利用云母與帶電針尖產生的電場作 用極化，被測分子對針尖的極化力根據被測分子的介電性能而變化，根據檢測針尖相位的 變化來表征被測分子的介電性質。
2.根據權利要求1所述的一種單分子介電性質的測量方法，其特征在于所述的振動模 式掃描極化力顯微鏡為改造的原子力顯微鏡，就是原子力顯微鏡在輕敲模式工作時在導電 針尖上加上交流電壓。
3.根據權利要求1或2所述的一種單分子介電性質的測量方法，其特征在于所述的交 流電壓為頻率1-lOKHz、振幅為6-8V。
全文摘要
本發明公開了一種單分子介電性質的測量方法，其特征在于使用振動模式掃描極化力顯微鏡，采用非接觸的方法來定性的表征單個分子的介電性質，利用云母與帶電針尖產生的電場作用極化，被測分子對針尖的極化力根據被測分子的介電性能而變化，通過檢測針尖相位的變化來表征被測分子的介電性質。該方法測試結果準確、且操作簡單方便。
文檔編號G01R31/00GK102033171SQ20091015316
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月24日 優先權日2009年9月24日
發明者周星飛, 崔成毅, 張金海 申請人:寧波大學