Fabricating Nanogaps durch Nanoskiving

Zusammenfassung

Die Herstellung von elektrisch adressierbaren, high-aspect-ratio (> 1000:1) Metallnanodrähte durch Lücken einzelner Nanometer entweder mit Opferschichten aus Aluminium und Silber oder selbstorganisierten Monoschichten als Vorlagen getrennt beschrieben. Diese Nanogap Strukturen werden ohne Reinraum oder ein beliebiges Foto-oder Elektronenstrahl-Lithographie-Prozesse durch eine Form der Kante als Lithographie bekannt Nanoskiving hergestellt.

Zusammenfassung

Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung Nanogaps mit kontrollierter Abstände, aber die genaue Kontrolle über die Sub-Nanometer Abstand zwischen zwei Elektroden-und das Erzeugen von ihnen in praktischen Mengen-ist immer noch eine Herausforderung. Die Herstellung von Elektroden mit Nanogap Nanoskiving, die eine Form der Kante Lithographie ist, ist eine schnelle, einfache und leistungsfähige Technik. Diese Methode ist eine rein mechanische Verfahren, das sich aber keine Foto-oder Elektronenstrahl-Lithographie-Schritte und erfordert keine spezielle Ausrüstung oder Infrastruktur wie saubere Zimmer. Nanoskiving wird verwendet, um elektrisch adressierbaren Nanogaps mit Kontrolle über alle drei Dimensionen herzustellen, die kleinste Abmessung dieser Strukturen durch die Dicke der Opferschicht (Al oder Ag) oder selbstorganisierten Monoschichten definiert. Diese Drähte können manuell durch den Transport von ihnen auf Tropfen Wasser positioniert werden und sind direkt elektrisch adressierbaren; keine weiteren Lithographie ist erforderlich, um sie zu einem verbindenElektrometer.

Einleitung

Dieses Papier beschreibt die Herstellung von elektrisch adressierbaren, high-aspect-ratio Nanodrähte aus Gold durch Lücken einzelner Nanometer mit getrennt Vakuum abgeschieden Aluminium und Silber als Opfer Abstandhalterschichten für Lücken> 5 nm und selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) von Alkandithiolen Lücken so klein wie 1,7 nm. Wir hergestellt diese Nanostrukturen ohne einem sauberen Raum oder jeder photolithographische Verfahren durch die Unterteilung der Sandwich-Strukturen von Gold durch eine Opfer-Abstandshalter mit einem Ultramikrotom eine Form der Kante Lithographie Nanoskiving bekannt getrennt. ^1-3 Dieses Verfahren ist eine Kombination aus der Abscheidung von dünnen Metallschichten Filmen und Schneiden mit einem Ultramikrotom. Der wichtigste Schritt in Nanoskiving ist Schneiden dünne Schnitte mit einem Messer mit Diamant Ultramikrotom die zu einem Boot voller Wasser, um Platten, die so dünn wie ~ 30 nm erzeugen angebracht ausgestattet ist. Ultramikrotome werden in großem Umfang für die Herstellung von dünnen Proben für Untersuchungen mit optischer verwendet oder Wahlron Mikroskopie und viele der Erfahrung von Praktikern Ultramikrotomie aus einer biologischen oder medizinischen Hintergrund kommen. Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung Nanogaps einschließlich mechanischer Bruchkontakte, ⁴ Elektronenstrahl-Lithographie ^5, elektrochemische Beschichtung, ^{6, 7} Elektromigration, ⁸ fokussierten Ionenstrahl-Lithographie, ⁹ Schatten Verdunstung, ¹⁰ Rastersonde und Rasterkraftmikroskopie, ¹¹ auf-Draht-Lithographie , ¹² und molekularen Herrscher. Alle ¹³ dieser Methoden haben ihre eigenen Merkmale und Anwendungen, sondern produziert und Adressierung Nanogaps sowohl in nützliche Telefonnummern und mit präziser Kontrolle über die Dimensionen der Lücke bleibt eine Herausforderung. Darüber hinaus sind diese Methoden haben hohe Betriebskosten, sie zu der Klasse von Materialien, die die Ätzprozesse überleben begrenzt sind, und in der Auflösung begrenzt. Nanoskiving ermöglicht die schnelle Herstellung von elektrisch adressierbaren Nanodrähten mit Spacings einzelner Nanometer auf der Bank-Spitze. Wir waren in der Rapid-Prototyping-Nanostrukturen für die molekulare Elektronik, für die die Nanopartikel hergestellt Elektroden nicht erforderlich ist oder spezialisierte zeitaufwendig Techniken interessiert sind; ¹⁴ einmal ein Block hergestellt ist, kann es zu produzieren Hunderttausende von Nanostrukturen (seriell) auf Nachfrage. Jedoch ist die Technik nicht beschränkt auf SAMs oder molekulare Elektronik und ein allgemeines Verfahren zur Herstellung einer Lücke zwischen zwei Nanostrukturen. In dieser Arbeit verwenden wir Silber, Aluminium, und SAMs als Opferschicht, um Lücken in verschiedenen Größen zwischen Gold-Nanodrähte herzustellen, aber die Technik ist nicht auf diese Materialien (oder auf metallische Nanodrähte) begrenzt. Die Drähte sind Pick-and-place und sind kompatibel mit magnetischen Ausrichtung, so können sie auf beliebigen Substraten platziert werden. ^15. Eine weitere Stärke ist, dass es Nanoskiving Kontrolle über alle drei Dimensionen bietet. Die Abmessungen der Proben werden durch die Topographie des Substrats (X), der bestimmtDicke der abgeschiedenen Schicht (Y) und die Dicke der Bramme durch die Ultramikrotom (Z) erzeugt. Abbildung 1 fasst das Verfahren verwendet, um die Nanodrähte mit dem definierten Abstand zu erzeugen. Goldeigenschaften (1-2 mm in der Länge) werden durch Verdampfung durch einen Teflon-Maske auf ein Siliziumsubstrat abgeschieden. Epofix (Electron Microscopy Sciences) Epoxy-Prepolymer wird über den gesamten Wafer gegossen, für die Gold-Funktionen, wenn das Epoxid ausgehärtet ist, das Epoxid von dem Wafer getrennt (dh über Vorlage Strippen), die Gold kennzeichnet haften zu bleiben, um das Epoxidharz . 500 um über die Gold - Für metallische Opferschicht wird Aluminium oder Silber mit der gewünschten Dicke durch die Teflon Maske mit einem Versatz von 200 verdampft. Um Sub-5 nm Lücken zu erzeugen, wird eine SAM durch Eintauchen der Gold-Features in einer 1 mM ethanolischen Lösung des entsprechenden dithiol über Nacht gebildet. Ein zweiter Satz von Gold (oder ein anderes Metall) wird durch Anordnen des Teflon Lochmaske über die abgeschiedeneerste Schicht aus Gold Funktionen (die in Silber, Aluminium oder einer SAM) mit einem Versatz von 200 - 500 um bezüglich der ersten Verdampfung. Dieser Offset wird schließlich definieren die längste Abmessung des Spalts, und es kann genau gemessen werden, mit Hilfe eines Mikro-Lineal vor dem Einbetten die gesamte Struktur in Epoxy zum Schneiden. Dann wird die ganze Struktur wird in einem Block von Epoxid, die dann bereit sein könnte für das Schneiden mit dem Ultramikrotom eingebettet. Die Probe Arm hält die vorbereitete Blocks als Diamantmessers Fortschritte in Richtung in kontrollierten Schritten, die der Dicke der Platten definiert wird. Der resultierende Abschnitt auf dem Wasser schwimmt im Boot.

Protokoll

1. Vorbereitung eines Blocks zum Schneiden

1. Gönnen ein technisches 3 "Silizium-Wafer in einem Luft-Plasma-Reiniger für 30 sec und dann setzen Sie es (Tridecafluor-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) Trichlorsilan Dampf für eine Stunde. Hinweis: Dieser Schritt ist notwendig, bevor Schritt 1.4 die Epoxy Anhaften an dem Silizium-Wafer zu vermeiden.
2. Abscheiden einer Schicht aus Gold (in der Regel 100 nm dicke, die die Breite der Drähte definiert) durch einen Teflon-Master (dh definiert die Länge der erhaltenen Drähte, 0,5 mm, 1 mm bzw. 1,5 mm) auf die vorbehandelte Silicium Wafer.
3. Bedecken Sie den gesamten Wafer mit ~ 8,5 ml Epofix Epoxy pre-Polymer und heilen drei Stunden bei 60 ° C.
4. Template-Streifen die Goldschicht durch vorsichtiges Abziehen des Epoxidharz aus dem Wafer, so dass das Gold an der ausgehärteten Epoxy bleibt. Die Kante einer Rasierklinge an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumwafer und Epoxid und dann vorsichtig schälen die Epoxyschicht vonder Siliziumwafer. Wegen der schlechten Haftung von Gold an der fluorierten Siliziumwafer (Schritt 1.1) die Gold-Features haften zu bleiben, um das Epoxidharz. Hinweis: Achten Sie darauf, um die Silizium-Wafer brechen, sonst werden die Silizium-Partikeln wird das Messer in der Diamant-Schneiden Schritt beschädigen.
5. Das gleiche Teflon Maske wieder über die Gold Funktionen gesetzt, aber seitlich von ~ 80% der kürzesten Abmessung der Gold Funktionen versetzt und Abscheiden einer Schicht aus Aluminium oder Silber durch den Teflon-Master. Die Dicke dieser Schicht definiert den Abstand der Nano-Gold-Lücke zwischen den Drähten. Die untere Grenze hängt vom Metall, aber ist ~ 5 nm für Aluminium und Silber, unter denen die Schichten unstetig werden. Hinweis: Dieser Versatz schließlich definieren die Länge der Überlappung zwischen zwei Gold-Elektroden und Sie können es mit Mikro-Lineal .
6. Für Lücken unter 5 nm: Tauchen Sie die template-stripped gold auf Epoxid in einer 1 mM Lösung eines Alkandithiolin Ethanol (oder einem Lösungsmittel, das quillt das Epoxidharz) über Nacht in einem geschlossenen Raum, der mit Stickstoff (zur spontanen Bildung von Disulfiden zu mildern) gespült wird. (In dieser Arbeit verwenden wir 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol oder 1,16-hexadecanedithiol um Lücken in verschiedenen Breiten von weniger als 3 nm zu erzeugen.) Entfernen Sie die Schablone abgestreift gold-on-Epoxy-Substrat aus der SAM-bildenden Lösung. Spülen Sie ihn mit Ethanol und trocknen Sie es mit Stickstoff vor der Trocknung bei 60 für 2 min.
7. Bei Verwendung eines SAM legen wieder die Teflon Maske auf das Epoxid-Substrat, sondern seitlich von ~ 80% der kürzesten Abmessung der Gold Funktionen versetzt. Bei Verwendung eines Metall, ist die Maske schon in Position nach dem Schritt 1.5, also nicht die Position der Maske nach der Abscheidung des Aluminiums oder Silber.
8. Abscheiden einer zweiten Schicht aus Gold oder einem anderen Metall durch die Maske. Diese Schicht wird in der Regel aus dem gleichen Metall mit einer Dicke wie der erste (100 nm-dicke in diesem Fall) besteht.
9. Entfernendie Teflon Maske, kümmert sich nicht zu kratzen die Eigenschaften, die in gebrochenem Nanodrähte führen wird.
10. Erneut einbetten das gesamte Substrat in Epofix Vorpolymer (~ 8,5 ml) und heilen mindestens drei Stunden bei 60.
11. Schneiden Sie die Funktionen unter Verwendung eines Juweliers Säge (in ~ 4 x 10 mm Stück) und legen Sie jeweils in einem separaten gut in einer Polyethylen'''' Sarg Mikrotom Schimmel.
12. Füllen Sie die Form mit Epofix pre-Polymer und heilen über Nacht bei 60 ° C.

2. Schnitte

1. Entfernen Sie einen Block aus der Polyethylen Schimmel und montieren Sie ihn in den Probenhalter.
2. Befestigen Sie die Halterung an der Probe Kappanschlag und montieren sie in der Ultramikrotom.
3. Reinigen einer Rasierklinge mit Ethanol zu Schmier-und Metall-Fragmente zu entfernen und überprüfen Sie die Kante der Rasierklinge unter dem Stereoskop der Ultramikrotom. Alle verbleibenden Fragmente der Diamant Messer beim Schneiden beschädigen. Kürzen Sie den Block, um die Breite des Diamantmessers (we verwenden 2 mm oder 4 mm Diatome ultra 35 °) in Trapezform (weil es die stabilste Form zum Schneiden ist). Hinweis: einige Ultramikrotome verwenden Trimmen Anhänge, die an dem Schneidarm montieren, aber wir bessere Ergebnisse erzielen mit Rasierklingen .
4. Ausrichten der Kante eines Glas Messer parallel zu der unteren Kante der Fläche des Blocks.
5. Starten Sie vor dem Schneiden mit der Ultramikrotom (wir haben eine Leica EMUC-6) mit einem Glas Messer, um eine glatte Oberfläche auf der Seite des Blocks definieren ausgestattet.
6. Um eine metallische Struktur herzustellen, ersetzen Sie das Glas Messer mit einer Diamant-Messer, neu ausrichten, und Abschnitt der Block entweder 100 nm bei 1 mm / s oder 50 nm bei 0,6 mm / sec. Epofix Abschnitte sind stabil bis zu ~ 30 nm Hinweis: eine einfache Überprüfung der Dicken der Abschnitte ihrer Farbe, die vorhersehbar als eine Funktion der Dicke variiert, und nicht auf das Harz, das verwendet worden ist, abhängt; Referenzkarten sind.. ¹⁶
7. Sammeln die Epoxy Abschnitte mit den Strukturen von der Oberfläche des Wassers in dem Reservoir des Messers einzeln unter Verwendung eines Perfect Loop (Electron Microscopy Sciences) oder als Schleife aus mehreren Abschnitten einer Si/SiO2 (für SEM) oder SiO2 (für elektrische Messungen) Substrat, indem das Substrat unter der Wasseroberfläche und Anheben langsam.
8. Trocknen der Teile bei 60 ° C für 3 Stunden, um ihre Haftung an dem Substrat zu verbessern.
9. Um die Asche Epoxy Setzen der Proben gegenüber einem Sauerstoffplasma (15 min bei 1 mbar ist ausreichend, um alle Spuren der Epoxidharz von 100 oder 50 nm dicke Abschnitte zu entfernen). Hinweis: Wenn Herstellen Nanostrukturen für elektrische Messungen muss dieser Schritt sein durchgeführt, nachdem Schritt 4.

3. Ätzen der Opferschicht

1. Für Aluminium: Legen Sie die Abschnitte, die Aluminium in einer 2 M wässrigen Lösung von HCl für 2 Stunden. Für Silber: Setzen Sie die Teile wieder zu Sauerstoff-Plasma für 10. min Hinweis: Die Auswahl der Materialien ermöglicht entweder Nassätzrate (mit HCl) oder Trockenätzens (mit Sauerstoff-Plasma), aber Silber durch nasses Ätzen entfernt als gut.
2. Für SAMs: Plasmabehandlung teilweise ätzt der SAMW, aber wir haben in unseren Bemühungen, bis zu welchem ​​Grad charakterisieren erfolglos.

4. Elektrische Messungen

1. Platz Epoxy Abschnitte auf einem SiO2 Substrat wurde gründlich gereinigt werden (zB mit piraña Lösung) und trocknen Sie sie (Schritte 2.7 und 2.8).
2. Montieren Sie das Substrat unter einem Lichtmikroskop oder das Stereoskop an der Ultramikrotom.
3. Bewerben Tropfen Silber-Paste (oder Kohlenstoff Tinte) an zwei Enden von Drähten in jedem Abschnitt. Diese eingebetteten metallischen Strukturen sichtbar entweder eine schwarze Linie (ab Gold / Epoxid-Schnittstelle) oder, im Fall von dickeren Goldstrukturen (der Abscheidungsschritte) direkt sichtbar. In jedem Fall sollte die Tropfen aufgebracht werdenausreichend weit von der Mitte zu kurz die Nano-Lücken.

Ergebnisse

Wir bereiteten Nanogap Strukturen durch den Einbau von zwei metallischen Opferschichten als Spacer: Aluminium und Silber. Wir geätzt diese Schichten, um Lücken von der gewünschten Dicke zu erhalten. Wie im Protokoll beschrieben, nach dem Schneiden wir die Strukturen, die Silber auf Sauerstoff-Plasma, und diejenigen, die Aluminium, wässrige HCl ausgesetzt. Abbildung 2 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) der resultierenden Nanodrähte mit Nanometer-Trennung. In beiden Fällen Lücken sind de...

Diskussion

In diesem Papier haben wir gezeigt, die Herstellung von Strukturen mit Nanogap Nanoskiving. Diese experimentell einfache Methode ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen mit einer Rate von etwa einem pro Sekunde, mit der Kontrolle über alle drei Dimensionen. Der Spalt-Größe wird durch den Einbau entweder Opferschichten aus Aluminium und Silber oder selbstorganisierten Monoschichten von Dithiolen (die ein Auflösung so klein wie Å) definiert. Die Nanostrukturen kann von Hand auf jedem beliebigen Substrat positioniert...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Reagenz/Material
Epofix Epoxidharz	Elektronenmikroskopie	1232
	Sciences
	Gold Schone Edelmetaal B.V
Aluminium	Umicore Materials AG
Silber	Umicore Materials AG
( tridecafluor-1,1,2,2,	ABCR GmbH co. KG KG	78560-45-9
-Tetrahydrooctyl)
trichlorsilan
,12-dodecanedithiol	Haussynthetisiert		nach: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,14-tetradecanedithiol	synthetisiert im Haus		Laut Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,16-Hexadecanedithiol	Haus		Nach: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
Equipment
Thermisches Abscheidungssystem	hausgemachtes
Ultramikrotom	Leica Microsystems
Dimanod knife ultra 35	Diatome	DU3540
Dimanod knife ultra 45	Scimed GMBH
Rasterelektronenmikroskop	JOEL
Source	meter Keithley
Tabelle 1. Tabellen mit spezifischen Reagenzien und Geräten.