افتعال Nanogaps بواسطة Nanoskiving

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع أقطاب كهربائية ذات فجوة نانوية ونسبة باعية عالية باستخدام تقنية القشر النانوي. ويتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق ترسيب غشاء رقيق من الذهب على رقاقة سيليكون ونقله إلى ركيزة من الإيبوكسي. وتتمثل الخطوة الثانية في تكوين طبقة أحادية مجمعة ذاتياً من Alcan thiols على الغشاء المعدني.

بعد ذلك، يتم ترسيب طبقة ثانية من الذهب، بحيث تكون مزاحة بالنسبة للطبقة الأولى. وتتمثل الخطوة النهائية في قطع شرائح رقيقة من البنية باستخدام جهاز الميكروتوم الفائق (ultra microtome).

تتمثل الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل التصوير الفوتوغرافي أو التصوير المليمتري، في إمكانية تصنيع الآلاف من أقطاب الفجوات النانوية بدقة دون المتر عند الطلب، ووضعها على أي ركيزة اختيارية دون الحاجة إلى غرفة نظيفة أو أي عمليات تصوير ضوئي تقليدية. كما يسمح شكل الفجوات النانوية ونسبة العرض إلى الارتفاع بإمكانية استهدافها مباشرة في مرحلة الاختبار دون الحاجة إلى أي خطوات تصنيع وسيطة، مثل تحديد مسارات التلامس. لبدء تصنيع البنية، ابدأ باستخدام رقاقة سيليكون من الدرجة التقنية بقطر ثلاثة بوصات.

قم بمعالجتها في جهاز تنظيف بالبلازما الهوائية لمدة 30 ثانية. بعد ذلك، قم بتعريضها لبخار السين البيرفلوري لمدة ساعة واحدة؛ وبعد التعريض، استخدم قناع تيفلون مناسباً لطول السلك المطلوب لتبخير طبقة من الذهب على الرقاقة المعالجة مسبقاً. يحدد سمك الطبقة المتبخرة في هذه التجربة، والبالغ 100 نانومتر، عرض السلك. وعند اكتمال التبخير، قم بتغطية الرقاقة بأكملها بنحو 8.5 ملليلتر من بوليمر الإيبوكسي الأولي.

ضع الرقاقة والإيبوكسي في فرن عند 60 °C ليتم المعالجة لمدة ثلاث ساعات، وبعد المعالجة، ومع وجود العينة في درجة حرارة الغرفة، أدخل حافة شفرة حلاقة عند الواجهة الفاصلة بين رقاقة السيليكون والإيبوكسي. قم بتقشير طبقة الإيبوكسي برفق من رقاقة السيليكون بحيث يظل الذهب ملتصقاً بالإيبوكسي. كن حذراً من كسر رقاقة السيليكون لتحقيق فجوات أقل من 5 nm.

اختر ألكان ديول (Alcan diol) مناسباً لعرض الفجوة المطلوب. قم بتحضير محلول بتركيز 1 millimolar من الألكان ديول (Alcan YL) في الإيثانول. اغمر الذهب المثبت على الإيبوكسي في محلول أحادي الطبقة ذاتي التجميع هذا.

ضع الحاوية في غرفة مغلقة يتم تطهيرها بالنيتروجين، واتركها لتبقى طوال الليل. وبعد مرور ثماني ساعات على الأقل، استخرج الحاوية من الغرفة المغلقة وقم بإزالة ركيزة الإيبوكسي الذهبية من محلول الطبقة الأحادية ذاتية التجمع.

اشطفه باستخدام الإيثانول وجففه بالنيتروجين. ثم جففه عند 60 درجة Celsius لمدة دقيقتين. قد تؤدي فترات التجفيف الأطول إلى إتلاف طبقة Sam.

بعد التجفيف، أعد وضع قناع التفلون على ركيزة الإيبوكسي بإزاحة جانبية تبلغ حوالي 80% من البعد العياني الأصغر لميزات الذهب، ثم قم بترسيب طبقة ثانية من الذهب عبر القناع في هذه التجربة. يكون سمك الطبقة الثانية مماثلاً للطبقة الأولى، وهو 100 nanometers. وبمجرد اكتمال عملية الترسيب، قم بإزالة قناع التفلون.

مع الحرص على عدم خدش المعالم، يُغمر الركيزة بالكامل في 8.5 milliliters من بادئ بوليمر الإيبوكسي. ثم توضع في فرن عند درجة حرارة 60 °C للتصلب لمدة ثلاث ساعات.

بمجرد تصلب العينة وتبريدها، استخدم منشار المجوهرات لقص المعالم في قطع بحجم 4 ملم في 10 ملم. ضع كل قطعة في تجويف منفصل في قالب ميكروتوم بولي إيثيلين. بعد ذلك، املأ القالب ببادئ بوليمر الإيبوكسي.

أخيراً، ضعها في فرن عند درجة حرارة 60 °C للتصلب طوال الليل. لتقطيع العينة، أخرج الكتلة من قالب البولي إيثيلين وثبت العينة في حامل العينات. قم بتوصيل حامل العينات بملحق التشذيب وثبته في الميكروتوم فائق الدقة (ultra microtome).

بعد ذلك، قم بتنظيف شفرة حلاقة باستخدام الإيثانول. افحص الشفرة تحت المجهر الستيريوسكوبي للتأكد من عدم وجود أي شظايا معدنية. استخدم الشفرة لتقليم الكتلة بحيث يتناسب عرضها مع عرض السكين الماسية.

قم بتجهيز الميكروتوم الفائق (ultra microtome) بسكين زجاجية على شكل شبه منحرف. يجب أن تكون السكين محاذية وبشكل موازٍ للحافة السفلية لوجه القالب. ابدأ بعملية القطع التمهيدي لتحديد سطح أملس على الوجه العلوي للقالب.

بمجرد الانتهاء من تصنيع البنية المعدنية، استبدل السكين الزجاجية بسكين ماسية. قم بمحاذاة السكين الماسية مرة أخرى بحيث تكون موازية للوجه السفلي للكتلة. في هذا الفيديو، يتم تقطيع الكتلة إلى 100 nanometers بسرعة 1 millimeter per second.

يمكن التحقق من سمك هذه المقاطع باستخدام مخططات مرجعية ملونة. وفي حال الرغبة في إجراء قياسات كهربائية، ضع ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون تحت الماء في خزان السكين. ارفع الركيزة ببطء لجمع مقاطع الإيبوكسي التي تحتوي على الهياكل من سطح الماء.

جفف المقاطع عند 60 درجة Celsius لمدة ثلاث ساعات لتحسين التصاقها بالركيزة. تبدأ القياسات الكهربائية بتركيب مقاطع الإيبوكسي المنظفة والمجففة تحت مجهر ضوئي، حيث ستظهر الهياكل المعدنية المدمجة إما كخط أسود أو تكون مرئية بشكل مباشر. وفي حالة هياكل الذهب الأكثر سمكاً، يتم إنشاء نقاط التلامس عن طريق وضع قطرات من معجون الفضة على طرفي الأسلاك.

تظهر في كل قسم هنا صور مجهرية إلكترونية ماسحة للفجوات في ثلاثة هياكل نانوية مختلفة الفجوات، حيث تم تحضير كل منها باستخدام كحول مختلف. التُقطت هذه الصور بعد عملية التكليس (ashing) للمواد العضوية باستخدام بلازما الأكسجين، ومن الأعلى إلى الأسفل، الفجوات الناتجة عن استخدام 12-DECANE OL، ثم 14-tetradecane OL، وأخيراً 16-HEXADECANE OL على التوالي.

تزداد الفجوات نوعياً مع زيادة طول الجزيئات. وجميع هذه الفجوات تقع دون حد دقة الجهاز البالغ 4 nanometer. ويمكن ملاحظة الدعم الكمي لزيادة حجم الفجوة في قياس كثافة التيار اللوغاريتمية مقابل الجهد لكل بنية في هذا المخطط، حيث تمثل المربعات السوداء البيانات الخاصة بأجهزة 12 do DECANE HY.

تمثل المثلثات الحمراء أجهزة HY ذات العقد العشرية الـ 14، بينما تمثل الدوائر الزرقاء أجهزة AL ذات العقد العشرية الـ 16 HEXA. يوضح الشكل الداخلي لوغاريتم كثافة التيار عند 500 millivolts مقابل طول جزيء AL المستخدم لإنشاء الفجوة. ويدعم التوافق الخطي الجيد التوقع بحدوث انخفاض أسي في التيار مع زيادة الطول الجزيئي، كما أن الميل يتناسب مع القياسات الأخرى للنفق عبر al Canes.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تصنيع أقطاب كهربائية ذات فجوة نانوية بأحجام فجوات مختلفة باستخدام تقنية nano skying.