纳米切片法制备纳米间隙

本实验的总体目标是利用纳米切片技术制备高长径比、纳米间隙的电极。该过程首先在硅晶圆上沉积一层超薄金膜，并将其转移至环氧基底上；第二步是在金属膜表面形成一层自组装的烷基硫醇单分子层。

接下来，沉积第二层金膜，该金膜相对于第一层有所偏移。最后一步是使用超薄切片机对结构进行薄片切片。

与现有的摄影或微影技术相比，该技术的主要优势在于，可根据需要在任意基底上直接制备数千个具有亚微米级分辨率的纳米间隙电极，且无需使用洁净室或任何传统的光刻工艺。纳米间隙的形状和长宽比使其能够在探针测试中被直接寻址，而无需任何中间制备步骤，例如定义接触路径。开始制备结构时，首先使用一片技术级的三英寸硅片。

在空气等离子体清洗仪中处理30秒。随后，将其暴露于全氟辛烷蒸气中1小时。暴露结束后，使用与所需导线长度相匹配的聚四氟乙烯掩膜，通过蒸发在预处理的晶圆上沉积一层金。本实验中，蒸发层的厚度为100纳米，该厚度决定了导线的宽度。蒸发完成后，用约8.5毫升环氧预聚物覆盖整个晶圆。

将晶圆和环氧树脂放入60摄氏度的烘箱中固化三小时。固化完成后，待样品恢复至室温，将剃刀刀片的边缘插入硅晶圆与环氧树脂之间的界面。轻轻将环氧树脂层从硅晶圆上剥离，使金层保留在环氧树脂上。操作时需小心，避免损坏硅晶圆，以实现小于五纳米的间隙。

根据所需的间隙宽度选择合适的烷烃二醇。在乙醇中配制浓度为一毫摩尔的烷烃YL溶液。将环氧树脂上的金浸入该自组装单分子层溶液中。

将容器放入用氮气吹扫的密闭室中，静置过夜。至少八小时后，从密闭室中取出容器，并从自组装单分子层溶液中取出金色环氧基底。

用乙醇冲洗，并用氮气吹干。然后在60摄氏度下干燥两分钟。更长的干燥时间可能会损坏Sam层。

干燥后，将聚四氟乙烯掩膜重新放置到环氧基底上，使其相对于金结构的较短宏观尺寸横向偏移约80%，然后通过该掩膜在此实验中蒸发第二层金。第二层的厚度与第一层相同，均为100纳米。蒸发完成后，取下聚四氟乙烯掩膜。

注意不要划伤表面结构。将整个基底浸入8.5毫升环氧预聚物中。放入60°C烘箱中固化3小时。

待样品固化并冷却后，使用珠宝锯将其切割成 4 毫米 × 10 毫米的片状结构。将每一片放入聚乙烯包埋盒切片模具中的独立孔内。接着，向模具中注入环氧预聚物。

最后，将其放入60摄氏度的烘箱中固化过夜。要对样品进行切片，需从聚乙烯模具中取出一块样品，并将其安装在样品夹中。将样品夹连接到修块附件上，并将其安装到超薄切片机中。

接下来，用乙醇清洁剃刀刀片。在体视显微镜下检查刀片，确保无金属碎片残留。使用剃刀将包埋块修整至与钻石刀刃宽度一致。

将超薄切片机以梯形方式安装玻璃刀。刀片应与样品块断面的底边平行。开始预切，以在样品块的顶面形成平整的表面。

完成金属结构制备后，将玻璃刀更换为金刚石刀。再次调整金刚石刀，使其与样品块的底面平行。在本视频中，样品块以每秒一毫米的速度被切片至100纳米厚度。

可使用颜色参考图表验证这些切片的厚度。若需进行电学测量，请在刀槽的水中放置二氧化硅基底。缓慢抬升基底，以从水面收集含有结构的环氧切片。

将切片在 60 摄氏度下干燥 3 小时，以增强其与基底的粘附性。电学测量首先将清洁并干燥后的环氧树脂切片置于光学显微镜下观察，嵌入的金属结构将呈现为一条黑线或直接可见。对于较厚的金结构，通过在导线两端滴加银浆来建立电接触。

以下各部分展示了三种不同纳米间隙结构的间隙扫描电子显微镜照片，每种结构分别使用不同的油酸（ol）制备。这些图像均在灰化处理后拍摄。从上到下依次为：使用一种12碳二烯酸（DECANE OL）、一种14碳十四烷酸（tetra decane OL）和一种16碳十六烷酸（HEXA decane OL）通过氧气等离子体去除有机物后形成的间隙。

随着分子长度的增加，间隙在定性上更大。所有间隙均低于仪器四纳米的分辨率极限。在该图中每种结构的对数电流密度与电压测量结果中，可观察到间隙尺寸增大的定量支持，其中黑色方块代表12个DECANE HY器件的数据。

红色三角形代表一个14个碳的四-十氢化萘（tetra decade）HY器件，蓝色圆形代表一个16个碳的六-十氢化萘（HEXA decade）AL器件。插图显示在500毫伏下的电流密度对数与用于形成间隙的AL分子长度之间的关系。良好的线性拟合支持电流随分子长度增加呈指数衰减的预期，其斜率与其他关于烷烃（al Canes）隧道效应测量结果相当。

观看本视频后，您应能充分理解如何利用纳米天际线技术制备具有不同间隙尺寸的纳米间隙电极。