Artículo de método

Fabricación Nanogaps por Nanoskiving

10.9K vistas

⸱

DOI:

10.3791/50406

⸱

13 de mayo de 2013

 , 
1Stratingh Institute for Chemistry and Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen

En este artículo

Resumen

La fabricación de, relación de aspecto alta eléctricamente direccionable (> 1000:1) nanocables de metal separadas por huecos de nanómetros individuales utilizando ya sea capas de sacrificio de aluminio y la plata o monocapas auto-ensambladas como plantillas se describe. Estas estructuras NANOGAP se fabrican sin una habitación limpia o cualquier proceso de foto-litográficas o de haz de electrones por una forma de litografía borde conocido como nanoskiving.

Resumen

Existen varios métodos de fabricación nanogaps con espacios controlados, pero el control preciso sobre el espacio sub-nanométrica entre dos electrodos-y generando en prácticas cantidades-sigue siendo un reto. La preparación de electrodos NANOGAP utilizando nanoskiving, que es una forma de litografía borde, es una técnica rápida, sencilla y de gran alcance. Este método es un proceso totalmente mecánico que no incluya ninguna foto o haz de electrones pasos litográficas y no requiere ningún equipo especial o de infraestructura, tales como salas limpias. Nanoskiving se utiliza para fabricar nanogaps eléctricamente direccionables con control sobre las tres dimensiones; la dimensión más pequeña de estas estructuras se define por el espesor de la capa de sacrificio (Al o Ag) o monocapas auto-ensambladas. Estos cables se pueden colocar manualmente por transportarlos en gotas de agua y electricidad son directamente direccionable, no se requieren más de litografía para conectarlos a unelectrómetro.

Introducción

En este trabajo se describe la fabricación de electricidad direccionables y de alta relación de aspecto nanocables de oro, separadas por espacios de nanómetros individuales que utilicen el vacío depositado aluminio y la plata como un sacrificio capas separadoras de espacios> 5 nm y monocapas auto-ensambladas (SAMs) de alkanedithiols los huecos tan pequeños como 1.7 nm. Hemos fabricado estas nanoestructuras sin una habitación limpia o cualquier proceso de fotolitografía por seccionamiento de estructuras de emparedado de oro separadas por un espaciador de sacrificio utilizando un ultramicrotomo, una forma de litografía borde conocido como nanoskiving. 1-3 Este método es una combinación de la deposición de metal fino películas y seccionado usando un ultramicrotomo. El paso principal en nanoskiving está rebanando secciones delgadas con un ultramicrotomo equipado con cuchilla de diamante que está unido a un bote lleno de agua para producir losas que son tan delgadas como ~ 30 nm. Ultramicrotomes se utilizan ampliamente para la preparación de muestras delgadas para formación de imágenes con óptica o eligenron microscopía y muchos de los la mayoría de los profesionales de la experiencia de ultramicrotomía provienen de un fondo biológica o médica. Hay varios métodos para fabricar nanogaps incluyendo uniones mecánicas de descanso, 4 de haz de electrones de litografía 5, revestimiento electroquímico, 6, 7, 8 electromigración enfocada litografía por haz de iones, 9 evaporación sombra, sonda de barrido 10 y microscopía de fuerza atómica, 11 de litografía en hilos , reglas 12 y moleculares. 13 Todos estos métodos tienen sus propias características y aplicaciones, pero la producción y direccionamiento nanogaps tanto en números útiles y con un control preciso sobre las dimensiones de la brecha sigue siendo un reto. Además, estos métodos tienen altos costos de operación, que se limitan a la clase de materiales que pueden sobrevivir a los procesos de grabado, y están limitadas en la resolución. Nanoskiving permite la rápida fabricación de nanocables eléctricamente-direccionables con SPACINgs de nanómetros individuales en la sobremesa. Estamos interesados ​​en la rápida creación de prototipos de nanoestructuras para la electrónica molecular, para el que los electrodos nano-fabricados no requieren técnicas especializadas o de tiempo; 14 una vez que se hace un bloque, puede producir cientos de miles de nanoestructuras, (serie) en demanda. Sin embargo, la técnica no se limita a SAM o la electrónica molecular y es un método general para la preparación de un hueco entre dos nanoestructuras. En este trabajo se utiliza la plata, el aluminio y SAM como capas de sacrificio para producir lagunas de diversos tamaños entre los nanocables de oro, pero la técnica no se limita a estos materiales (o nanocables metálicos). Los alambres son de pick-and-place y son compatibles con la alineación magnética, así que se pueden colocar sobre sustratos arbitrarias. 15 Otro punto fuerte de nanoskiving es que proporciona control sobre las tres dimensiones. Las dimensiones de las muestras se determinan por la topografía del sustrato (X), laespesor de la película depositada (Y) y el espesor de la losa producido por el ultramicrotomo (Z). Figura 1 resume el procedimiento usado para producir los nanocables con la distancia definida. Características de oro (1-2 mm de longitud) se depositan por evaporación a través de una máscara de teflón sobre un sustrato de silicio. Epofix (Microscopía Electrónica de Ciencias) epoxi pre-polímero se vierte sobre toda la oblea, que cubre las características de oro, cuando se cura la resina epoxi, la resina se separa de la oblea (es decir, a través de la plantilla de extracción); las características de oro permanecen adheridos a la epoxi . Para capas de sacrificio metálicos, de aluminio o de plata se evapora con el espesor deseado a través de la máscara de Teflón con un desplazamiento de 200 - 500 micras sobre las características de oro. Para producir sub-5 lagunas nm, un SAM se forma por inmersión de las características de oro en una solución etanólica de 1 mM del ditiol apropiado durante la noche. Un segundo conjunto de oro (u otro metal) se deposita mediante la colocación de la máscara de sombra de teflón sobre elprimera capa de características de oro (cubierto de plata, de aluminio o de una SAM) con un desplazamiento de 200 - 500 micras con respecto a la primera evaporación. Este desplazamiento se define finalmente la dimensión más larga de la brecha, y puede ser medido con precisión utilizando un micro-regla antes de clavarse toda la estructura en epoxi para seccionar. A continuación, toda la estructura está incrustado en un bloque de epoxi que entonces podría estar listo para seccionar la ultramicrótomo. El brazo de muestreo mantiene el bloque preparado medida que avanza la cuchilla de diamante hacia ella en pasos controlados que definirán el espesor de las losas. La sección resultante flota en el agua en el barco.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

1. Preparación de un bloque de seccionamiento

  1. Tratar a un 3 "oblea de silicio de grado técnico en un plasma de aire más limpio durante 30 segundos y, a continuación exponerlo a (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) vapor de triclorosilano durante una hora Nota:. Este paso es necesario antes de la paso 1.4 para evitar que el epoxi se adhiera a la oblea de silicio.
  2. Depositar una capa de oro (por lo general 100 nm de espesor, que definen la anchura de los alambres) a través de un maestro de teflón (que define la longitud de los cables resultantes; 0,5 mm, 1 mm o 1,5 mm) en el silicio de pre-tratada oblea.
  3. Cubra toda la oblea con ~ 8,5 ml de Epofix epoxi pre-polímero y curar durante tres horas a 60 ° C.
  4. Plantilla-tira de la capa de oro por pelado cuidadosamente el epoxi de la oblea de tal manera que el oro permanece unido a la resina epoxi curada. Inserte el borde de una hoja de afeitar en la interfaz entre la oblea de silicio y epoxi y luego suavemente la cáscara de la capa de epoxi desdela oblea de silicio. Debido a la mala adherencia del oro a la oblea de silicio fluorado (paso 1.1) las características del oro se mantienen adheridos a la epoxi Nota:. Tenga cuidado de no romper la oblea de silicio, de lo contrario las partículas de silicio se dañará el bisturí de diamante en la etapa de corte.
  5. La misma máscara de teflón se coloca de nuevo sobre las características de oro, pero desplazado lateralmente por el ~ 80% de la dimensión más corta de las características de oro y depositar una capa de aluminio o de plata a través del maestro de teflón. El espesor de esta capa será definir el espaciado de la nano-brecha entre los alambres de oro. El límite inferior depende del metal, pero es de ~ 5 nm para el aluminio y la plata, por debajo del cual las capas se vuelven discontinuos Nota:. Este desplazamiento eventualmente definir la longitud del solape entre dos electrodos de oro y se puede medir con micro-regla .
  6. Para los surcos bajo los 5 nm: Sumergir el oro en plantillas despojada de epoxi en una solución 1 mM de un alkanedithiolen etanol (o cualquier otro disolvente que no se hincha la resina epoxi) durante la noche en una cámara cerrada que se purgó con nitrógeno (para mitigar la formación espontánea de disulfuros). (En este trabajo se utiliza-dodecanedithiol 1,12, 1,14 o 1,16-tetradecanedithiol-hexadecanedithiol para producir lagunas de diferentes anchuras menores de 3 nm.) Retire la plantilla despojado sustrato de oro-en-epoxi de la SAM de formación solución. Enjuague con etanol y se seca con nitrógeno antes de secar a 60 durante 2 min.
  7. Si el uso de un SAM, colocar de nuevo la máscara de teflón sobre el sustrato de epoxi, pero desplazado lateralmente por el ~ 80% de la dimensión más corta de las características de oro. Si se utiliza un metal, la máscara ya está en posición después de la Etapa 1.5, por lo que no cambia la posición de la máscara después de la deposición del aluminio o de plata.
  8. Depositar una segunda capa de oro o cualquier otro metal a través de la máscara. Esta capa será típicamente compuesto por el mismo metal en el espesor que la primera (100 nm de espesor en este caso).
  9. Eliminarla máscara de teflón, con cuidado de no rayar las características, lo que redundará en nanocables rotos.
  10. Vuelva a insertar todo el sustrato en Epofix de pre-polímero (~ 8,5 ml) y se cura durante al menos tres horas a 60.
  11. Cortar las características a cabo utilizando una sierra de joyero (en ~ 4 x piezas de 10 mm) y coloque cada uno en un pozo separado en un ataúd de polietileno'''' microtomo molde.
  12. Llenar el molde con Epofix de pre-polímero, y curarla durante la noche a 60 ° C.

2. Seccionamiento

  1. Eliminar un bloque del molde de polietileno y montarlo en el soporte de la muestra.
  2. Fije el soporte de la muestra al recortador y montarlo en el ultramicrótomo.
  3. Limpiar una cuchilla de afeitar con etanol para eliminar el lubricante y fragmentos de metal y fijarse en el borde de la cuchilla de afeitar bajo el estereoscopio de la ultramicrotomo. Los fragmentos restantes pueden dañar la cuchilla de diamante durante el corte. Recorte el bloque a la anchura de la cuchilla de diamante (we Utilice 2 mm o 4 mm Diatome Ultra 35 °) en una forma trapezoidal (porque es la forma más estable para seccionar) Nota:. algunas ultramicrotomes utilizan recorte archivos adjuntos que se montan en el brazo de corte, pero que logran mejores resultados con hojas de afeitar .
  4. Alinear el borde de un cristal cuchillo paralelo al borde inferior de la cara del bloque.
  5. Iniciar la pre-corte con el ultramicrotomo (se utilizó un Leica EMUC-6) equipado con una cuchilla de vidrio para definir una superficie lisa en la cara del bloque.
  6. Para fabricar una estructura metálica, sustituir la cuchilla de vidrio con un cuchillo de diamante, re-alinearla, y la sección del bloque a cualquiera de 100 nm a 1 mm / s o de 50 nm a 0.6 mm / seg. Secciones Epofix son estables hasta ~ 30 nm Nota: una fácil verificación de los espesores de las secciones es su color, que varía predecible como una función del espesor y no depende de la resina que se ha utilizado; tarjetas de referencia están disponibles.. 16
  7. Recoger las secciones epoxi que contienen las estructuras de la superficie del agua en el depósito de la cuchilla ya sea individualmente usando un bucle perfecto (Electron Microscopy Sciences) o como cintas de varias secciones a una Si/SiO2 (SEM) o SiO2 (para eléctrica mediciones) sustrato mediante la colocación de sustrato debajo de la superficie del agua y aumentar lentamente.
  8. Secar las secciones a 60 º C durante 3 horas para mejorar su adherencia al sustrato.
  9. Para cenizas el epoxi, exponer las muestras a un plasma de oxígeno (15 min a 1 mbar es suficiente para eliminar todos los rastros de la resina de 100 o 50 secciones nm de espesor) Nota:. Si fabricación de nanoestructuras para medidas eléctricas, este paso debe ser realizado después del paso 4.

3. Grabado a la capa de sacrificio

  1. Para el aluminio: Lugar las secciones que contienen aluminio en una solución acuosa 2 M de HCl durante 2 horas. Para la plata: exponer las secciones de plasma de oxígeno para 10. min Nota: la selección de los materiales permite que cualquiera de grabado en húmedo (utilizando HCl) o de grabado en seco (usando plasma de oxígeno), sin embargo plata se pueden eliminar mediante grabado húmedo así.
  2. Para SAMs: El tratamiento con plasma graba parcialmente las SAMs, pero no han tenido éxito en nuestros esfuerzos para caracterizar en qué grado.

4. Mediciones Eléctricas

  1. Secciones epoxi Place SiO2 sobre un sustrato que ha sido limpiado a fondo (por ejemplo, utilizando solución Piraña) y secarlos (pasos 2.7 y 2.8).
  2. Monte el sustrato con un microscopio óptico o el estereoscopio unido al ultramicrótomo.
  3. Aplicar gotas de pasta de plata (o tinta de carbón) en dos extremos de los cables en cada sección. Estas estructuras metálicas incrustadas serán visibles ya sea como una línea de color negro (desde la interfaz de oro / epoxi) o, en el caso de estructuras de oro más gruesas (a partir de las etapas de deposición), directamente visibles. En cualquiera de los casos, las gotas deben aplicarselo suficientemente lejos del centro para corta las nano-carencias.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

Preparamos estructuras NANOGAP incorporando dos capas sacrificiales metálicos como el separador: aluminio y plata. Hemos grabado al ácido estas capas para obtener lagunas del espesor deseado. Como se describe en la sección de Protocolo, después de la sección expusimos las estructuras que contienen plata a plasma de oxígeno, y los que contienen aluminio a HCl acuoso. Figura 2 muestra micrografías electrónicas de barrido (SEM) de los nanocables resultantes con separación a escala nanométrica. En ambos cas...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

En este trabajo se demostró la fabricación de estructuras NANOGAP utilizando nanoskiving. Este método experimentalmente sencilla permite la producción de nanoestructuras en la tasa de alrededor de uno por segundo, con el control de las tres dimensiones. El tamaño de la brecha-se define mediante la incorporación de cualquiera de las capas sacrificiales de aluminio y la plata o monocapas auto-ensambladas de ditioles (que proporciona una resolución tan pequeña como una). Las nanoestructuras pueden ser colocados a mano sobr...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

No hay conflictos de interés declarado.

Agradecimientos

Este trabajo forma parte del Programa Solar Conjunto (JSP) de Hyet Solar y el Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie FOM, que forma parte de la Organización Holandesa para la Investigación Científica (NWO).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Reactivo/Material
Resina epoxi Epofix Microscopía electrónica1232
Ciencias
Oro Schone Edelmetaal B.V
Aluminio Umicore Materials AG
Silver Umicore Materials AG
( tridecafluoro-1,1,2,2, ABCR GmbH co. KG78560-45-9
-tetrahidrooctilo)
triclorosilano
,12-dodecanedithiol Sintetizadoen casa Según: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,14-tetradecanedithiol sintetizado internamente Según: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,16-hexadecanedithiol sintetizado internamenteSegún: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
Equipment
Sistema de deposición térmica Ultramicrotomo
Leica casero Microsystems
Cuchillo Dimanod ultra 35 DiatomeDU3540
Cuchillo Dimanod ultra 45 Scimed GMBH
Microscopio electrónico de barrido JOEL
Medidor de fuente Keithley
Tabla 1. Tablas de reactivos y equipos específicos.

Referencias

  1. Lipomi, D. J., Martinez, R. V., Whitesides, G. M. Use of thin sectioning (nanoskiving) to fabricate nanostructures for electronic and optical applications. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (37), 8566-8583 (2011).
  2. Xu, Q., Rioux, R. M., Dickey, M. D., Whitesides, G. M. Nanoskiving: A new method to produce arrays of nanostructures. Acc. Chem. Res. 41 (12), 1566-1577 (2008).
  3. Xu, Q., Rioux, R. M., Whitesides, G. M. Fabrication of complex metallic nanostructures by nanoskiving. ACS Nano. 1 (3), 215-227 (2007).
  4. Reed, M. A., Zhou, C., Muller, C. J., Burgin, T. P., Tour, J. M. Conductance of a molecular junction. Science. 278 (5336), 252-254 (1997).
  5. Chen, W., Ahmed, H., Nakazoto, K. Coulomb blockade at 77 k in nanoscale metallic islands in a lateral nanostructure. Appl. Phys. Let. 66 (24), 3383-3384 (1995).
  6. Morpurgo, A. F., Marcus, C. M., Robinson, D. B. Controlled fabrication of metallic electrodes with atomic separation. Appl. Phys. Let. 74 (14), 2084-2086 (1999).
  7. Paska, Y., Haick, H. Systematic cross-linking changes within a self-assembled monolayer in a nanogap junction: A tool for investigating the intermolecular electronic coupling. J. Am. Chem. Soc. 132 (6), 1774-1775 (2010).
  8. Park, J., Pasupathy, A. N., Goldsmith, J. I., Chang, C., Yaish, Y., Petta, J. R., Rinkoski, M., Sethna, J. P., Abruna, H. D., McEuen, P. L., Ralph, D. C. Coulomb blockade and the kondo effect in single-atom transistors. Nature. 417 (6890), 722-725 (2002).
  9. Nagase, T., Kubota, T., Mashiko, S. Fabrication of nano-gap electrodes for measuring electrical properties of organic molecules using a focused ion beam. Thin Solid Films. 438-439, 374-377 (2003).
  10. Kubatkin, S., Danilov, A., Hjort, M., Cornil, J., Brédas, J. -L., Stuhr-Hansen, N., Hedegård, P., Bjørnholm, T. Single-Electron Transistor of a Single Organic Molecule with Access to Several Redox States. Nature. 425 (6959), 698-701 (2003).
  11. Notargiacomo, A., Foglietti, V., Cianci, E., Capellini, G., Adami, M., Faraci, P., Evangelisti, F., Nicolini, C. Atomic force microscopy lithography as a nanodevice development technique. Nanotechnology. 10 (4), 458-463 (1999).
  12. Qin, L., Park, S., Huang, L., Mirkin, C. A. On-wire lithography. Science. 309 (5731), 113-115 (2005).
  13. Hatzor, A., Weiss, P. S. Molecular rulers for scaling down nanostructures. Science. 291 (5506), 1019-1020 (2001).
  14. Pourhossein, P., Chiechi, R. C. Directly addressable sub-3 nm gold nano-gaps fabricated by nanoskiving using self-assembled monolayers as templates. ACS Nano. 6, 5566-5573 (2012).
  15. Lipomi, D. J., Ilievski, F., Wiley, B. J., Deotare, P. B., Lončar, M., Whitesides, G. M. Integrated fabrication and magnetic positioning of metallic and polymeric nanowires embedded in thin epoxy slabs. ACS Nano. 3 (10), 3315-3325 (2009).
  16. Mays, R. L., Pourhossein, P., Savithri, D., Genzer, J., Chiechi, R. C., Dickey, M. D. Thiol-containing polymeric embedding materials for nanoskiving. Journal of Materials Chemistry C. , (2013).
  17. Thuo, M. M., Reus, W. F., Nijhuis, C. A., Barber, J. R., Kim, C., Schulz, M. D., Whitesides, G. M. Odd-even effects in charge transport across self-assembled monolayers. J. Am. Chem. Soc. 133 (9), 2962-2975 (2011).
  18. Song, H., Kim, Y., Jeong, H., Reed, M. A., Lee, T. Coherent Tunneling Transport in Molecular Junctions. J. Phys. Chem. C. 114 (48), 20431-20435 (2010).
  19. Wang, W. Y., Lee, T., Reed, M. A. Mechanism of Electron Conduction in Self-Assembled Alkanethiol Monolayer Devices. Phys. Rev. B. 68 (3), 035416(2003).
  20. Weiss, E. A., Chiechi, R. C., Kaufman, G. K., Kriebel, J. K., Li, Z., Duati, M., Rampi, M. A., Whitesides, G. M. Influence of defects on the electrical characteristics of Mercury-Drop junctions: Self-Assembled monolayers of n- Alkanethiolates on rough and smooth. 129 (14), 4336-4349 (2007).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Fabricaci n de nanohuecost cnica de nanoscrapeadodeposici n de pel cula de oromonocapa autoensambladaseccionamiento con ultramicrotomopreparaci n del sustrato de epoxidireccionabilidad el ctricaespaciado subnanom tricoespesor de la capa sacrificialseccionamiento con cuchilla de diamante

Artículos relacionados