Fabricating Nanogaps durch Nanoskiving

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Elektroden mit hohem Aspektverhältnis und nanoskaligen Spaltenabständen mittels Nanoskalierung herzustellen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein dünner Goldfilm auf einer Siliziumwafer abgeschieden und anschließend auf ein Epoxysubstrat übertragen wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine selbstorganisierte Monoschicht aus Alkanthiolen auf dem Metallfilm zu bilden.

Anschließend wird ein zweiter Goldfilm abgeschieden, der gegenüber dem ersten versetzt ist. Der letzte Schritt besteht darin, dünne Schnitte des Aufbaus mit einem Ultramikrotom anzufertigen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Fotografie oder Mikrofotografie besteht darin, dass Tausende von Nanospalt-Elektroden bei Bedarf mit Submikrometer-Genauigkeit hergestellt und auf beliebigen Substraten positioniert werden können, ohne einen Reinraum oder herkömmliche photolithografische Verfahren nutzen zu müssen. Die Form und das Seitenverhältnis der Nanospalte ermöglichen es, sie direkt in einer Prüfung ohne Zwischenschritte wie das Definieren von Kontaktbahnen anzusteuern. Um mit der Herstellung einer Struktur zu beginnen, verwenden Sie eine technische Siliziumscheibe mit drei Zoll Durchmesser.

Behandeln Sie es 30 Sekunden lang in einem Luftplasmareiniger. Danach setzen Sie es eine Stunde lang Perfluorsilan-Dampf aus. Nach der Belichtung verwenden Sie eine Teflonmaske, die der gewünschten Drahtlänge entspricht, um eine Goldschicht auf den vorbehandelten Wafer aufzudampfen. Die Dicke der aufgedampften Schicht – in diesem Experiment hundert Nanometer – definiert die Breite des Drahtes. Sobald das Aufdampfen abgeschlossen ist, beschichten Sie den gesamten Wafer mit etwa 8,5 Milliliter Epoxid-Prepolymer.

Platzieren Sie den Wafer und das Epoxidharz nach dem Aushärten für drei Stunden in einem Ofen bei 60 Grad Celsius. Wenn die Probe Raumtemperatur erreicht hat, führen Sie die Kante einer Rasierklinge an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumwafer und dem Epoxidharz ein. Lösen Sie die Epoxidschicht vorsichtig vom Siliziumwafer ab, sodass das Gold an dem Epoxidharz haften bleibt. Achten Sie darauf, den Siliziumwafer nicht zu beschädigen, um Spalte unterhalb von fünf Nanometern zu erzielen.

Wählen Sie ein geeignetes Alcan-Diol für die gewünschte Spaltbreite aus. Bereiten Sie eine einmillimolare Lösung des Alcan YL in Ethanol vor. Tauchen Sie das Gold auf Epoxidharz in diese selbstassemblierende Monoschichtlösung ein.

Stellen Sie den Behälter in eine geschlossene Kammer, die mit Stickstoff gespült wird. Lassen Sie ihn über Nacht stehen. Nach mindestens acht Stunden nehmen Sie den Behälter aus der geschlossenen Kammer und entnehmen das goldene Epoxysubstrat aus der Lösung der selbstassemblierenden Monoschicht.

Spülen Sie es mit Ethanol und trocknen Sie es mit Stickstoff. Anschließend bei 60 Grad Celsius zwei Minuten trocknen. Längere Trocknungszeiten können die SAM-Schicht beschädigen.

Nach dem Trocknen setzen Sie die Teflonmaske erneut auf das Epoxysubstrat mit einer lateralen Versetzung von etwa 80 % der kürzeren makroskopischen Dimension der Goldstrukturen und verdampfen in diesem Experiment eine zweite Goldschicht durch die Maske. Die Dicke der zweiten Schicht entspricht der der ersten Schicht, 100 Nanometer. Sobald die Verdampfung abgeschlossen ist, entfernen Sie die Teflonmaske.

Dabei darauf achten, die Strukturen nicht zu verkratzen. Das gesamte Substrat mit 8,5 Milliliter Epoxid-Präpolymer beschichten. Es für drei Stunden in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen stellen, um es aushärten zu lassen.

Nachdem die Probe ausgehärtet und abgekühlt ist, verwenden Sie eine Feinsägen, um die Merkmale in Stücke von vier Millimeter mal 10 Millimeter auszuschneiden. Legen Sie jedes Stück in eine separate Vertiefung einer Polyethylen-Kassettten-Mikrotomform. Füllen Sie anschließend die Form mit Epoxid-Vorpolymers.

Schließlich in einem 60 Grad Celsius warmen Ofen über Nacht aushärten lassen. Um eine Probe zu schneiden, entfernen Sie einen Block aus der Polyethylenform und montieren Sie die Probe im Probenhalter. Befestigen Sie den Probenhalter am Trimmzubehör und montieren Sie ihn am Ultramikrotom.

Reinigen Sie anschließend ein Rasiermesser mit Ethanol. Untersuchen Sie die Klinge unter einem Stereomikroskop, um sicherzustellen, dass keine Metallfragmente vorhanden sind. Verwenden Sie das Rasiermesser, um den Block auf die Breite des Diamantschneidmessers zuzuschneiden.

In Trapezform rüsten Sie das Ultramikrotom mit einem Glasmesser aus. Das Messer sollte parallel zur unteren Kante der Blockoberfläche ausgerichtet sein. Beginnen Sie mit dem Vorschneiden, um eine glatte Oberfläche auf der oberen Fläche des Blocks zu definieren.

Wenn die Herstellung einer metallischen Struktur abgeschlossen ist, ersetzen Sie das Glasmesser durch ein Diamantmesser. Richten Sie das Diamantmesser erneut so aus, dass es parallel zur unteren Fläche des Blocks steht. In diesem Video wird der Block auf 100 Nanometer bei einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde geschnitten.

Die Dicke dieser Schnitte kann mithilfe von Farbreferenztabellen überprüft werden. Falls elektrische Messungen durchgeführt werden sollen, platzieren Sie ein Siliziumdioxid-Substrat unterhalb des Wassers im Messerbassin. Heben Sie das Substrat langsam an, um die Epoxyschnitte mit den Strukturen von der Wasseroberfläche aufzunehmen.

Trocknen Sie die Schnitte bei 60 Grad Celsius für drei Stunden, um ihre Haftung auf dem Substrat zu verbessern. Die elektrischen Messungen beginnen damit, die gereinigten und getrockneten Epoxyschnitte unter einem Lichtmikroskop zu montieren; die eingebetteten metallischen Strukturen sind als schwarze Linie oder direkt sichtbar. Bei den dickeren Goldstrukturen werden Kontakte hergestellt, indem Tropfen aus Silberpaste an den beiden Enden der Drähte aufgebracht werden.

In jedem hier gezeigten Abschnitt befinden sich Rasterelektronenmikrografien der Spalten dreier verschiedener Nanospaltstrukturen, die jeweils mit einer anderen OL hergestellt wurden. Diese Aufnahmen wurden nach dem Ätzen angefertigt. Die organischen Substanzen wurden mittels Sauerstoff-Plasma von oben nach unten entfernt; die dargestellten Spalten entstanden dabei unter Verwendung einer 12-fach dekanierten OL, einer 14-fach tetradekanierten OL und einer 16-fach hexadekanierten OL.

Die Lücken sind qualitativ größer, je länger die Moleküle sind. Alle Lücken liegen unterhalb der vier Nanometer Auflösungsgrenze des Instruments. Quantitative Unterstützung für die zunehmende Lückengröße ergibt sich aus der logarithmischen Stromdichtespannungsmessung für jede der Strukturen in diesem Diagramm; die schwarzen Quadrate stellen Daten für die zwölf DECANE HY-Geräte dar.

Die roten Dreiecke stehen für die ein 14 Tetra Dekade HY-Geräte, und die blauen Kreise stehen für die ein 16 HEXA Dekade AL-Geräte. Die Einlage zeigt den Logarithmus der Stromdichte bei 500 Millivolt in Abhängigkeit von der Länge des AL-Moleküls, das zur Erzeugung des Abstands verwendet wurde. Die gute lineare Anpassung unterstützt die Erwartung einer exponentiellen Abnahme des Stroms mit zunehmender Moleküllänge, und die Steigung entspricht anderen Messungen des Tunnelns durch al-Kane.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Nanospaltelektroden mit verschiedenen Spaltgrößen unter Verwendung der Nano-Skying-Methode herstellt.