Fabrication nanogaps par Nanoskiving

L'objectif général de cette procédure est de fabriquer des électrodes de grand rapport d'aspect présentant un intervalle nanométrique à l'aide du décapage nanométrique. Cette opération s'effectue en déposant d'abord une fine couche d'or sur une tranche de silicium, puis en la transférant sur un substrat en époxy. La deuxième étape consiste à former une monocouche auto-assemblée de thiols alcanes sur le film métallique.

Ensuite, un deuxième film d'or est déposé, décalé par rapport au premier. La dernière étape consiste à sectionner de fines tranches de la structure à l'aide d'un ultramicrotome.

L'avantage principal de cette technique par rapport aux méthodes existantes telles que la photographie ou la microphotographie est qu'elle permet de fabriquer des milliers d'électrodes à nano-intervalle avec une résolution submicrométrique sur demande, et de les positionner sur n'importe quel substrat arbitraire sans avoir recours à une salle blanche ni à aucun procédé photolithographique conventionnel. La forme et le rapport d'aspect des nano-intervalle permettent de les connecter directement dans un dispositif de test, sans étapes intermédiaires de fabrication telles que la définition de pistes de contact. Pour commencer la fabrication d'une structure, utilisez une plaquette de silicium de qualité technique de trois pouces.

Traitez-le dans un nettoyeur à plasma d'air pendant 30 secondes. Ensuite, exposez-le à une vapeur de silane perfluoré pendant une heure ; après cette exposition, utilisez un masque en téflon adapté à la longueur souhaitée du fil pour évaporer une couche d'or sur la tranche prétraitée. L'épaisseur de la couche évaporée, de cent nanomètres dans cette expérience, détermine la largeur du fil. Une fois l'évaporation terminée, recouvrez entièrement la tranche d'environ 8,5 millilitres de prépolymère d'époxy.

Placer la plaquette et l'époxy dans un four à 60 degrés Celsius pour polymériser pendant trois heures ; après polymérisation, et avec l'échantillon à température ambiante, insérer le bord d'une lame de rasoir à l'interface entre la plaquette de silicium et l'époxy. Détacher délicatement la couche d'époxy de la plaquette de silicium afin que l'or reste fixé à l'époxy. Faire attention à ne pas briser la plaquette de silicium afin d'obtenir des intervalles inférieurs à cinq nanomètres.

Choisissez un diol Alcan approprié pour la largeur d'entrefer souhaitée. Préparez une solution monomolaire d'Alcan YL dans l'éthanol. Plongez l'or sur l'époxy dans cette solution de monocouche auto-assemblée.

Placer le récipient dans une chambre fermée purgée à l'azote. Laisser reposer toute la nuit. Après au moins huit heures, retirer le récipient de la chambre fermée et extraire le substrat en époxy doré de la solution de monocouche auto-assemblée.

Rincez-le avec de l'éthanol et séchez-le à l'azote. Ensuite, faites-le sécher à 60 degrés Celsius pendant deux minutes. Des durées de séchage plus longues peuvent endommager la couche de Sam.

Après séchage, replacer le masque en téflon sur le substrat époxy avec un décalage latéral d'environ 80 % de la plus petite dimension macroscopique des motifs en or, puis évaporer une seconde couche d'or à travers le masque lors de cette expérience. L'épaisseur de la seconde couche est identique à celle de la première, soit 100 nanomètres. Une fois l'évaporation terminée, retirer le masque en téflon.

En prenant soin de ne pas rayer les motifs. Recouvrir tout le substrat de 8,5 mL de prépolymère époxy. Placer le tout dans un four à 60 °C pour une polymérisation de trois heures.

Une fois l'échantillon polymérisé et refroidi, utilisez une scie de bijoutier pour découper les éléments en morceaux de quatre millimètres sur 10 millimètres. Placez chacun dans un puits distinct d'un moule en polyéthylène pour microtome. Ensuite, remplissez le moule avec du prépolymère époxy.

Enfin, placez-le dans une étuve à 60 degrés Celsius pour polymériser toute la nuit. Pour découper un échantillon, retirez un bloc du moule en polyéthylène, puis montez l'échantillon dans le porte-échantillon. Fixez le porte-échantillon à l'accessoire de parage et installez-le dans l'ultramicrotome.

Ensuite, nettoyez une lame de rasoir avec de l'éthanol. Inspectez la lame au stéréomicroscope pour vous assurer qu'aucun fragment métallique n'est présent. Utilisez la lame pour tailler le bloc à la largeur du couteau en diamant.

En forme de trapèze, équiper le microtome ultraplein d'un couteau en verre. Le couteau doit être aligné parallèlement au bord inférieur de la surface du bloc. Commencer la coupe préliminaire afin de définir une surface lisse sur la face supérieure du bloc.

Une fois la structure métallique fabriquée, remplacez le couteau en verre par un couteau en diamant. Réalignez ensuite le couteau en diamant afin qu’il soit parallèle à la face inférieure du bloc. Dans cette vidéo, le bloc est sectionné à 100 nanomètres à une vitesse d’un millimètre par seconde.

L'épaisseur de ces sections peut être vérifiée à l'aide de tableaux de référence colorés. Si des mesures électriques doivent être effectuées, placer un substrat de dioxyde de silicium sous l'eau dans le réservoir de lame. Soulever lentement le substrat pour récupérer les sections d'époxy contenant les structures à partir de la surface de l'eau.

Séchez les sections à 60 degrés Celsius pendant trois heures afin d'améliorer leur adhérence au substrat. Les mesures électriques commencent par le montage des sections d'époxy propre et sèche sous un microscope optique, les structures métalliques intégrées apparaissant comme une ligne noire ou directement visibles. Dans le cas des structures en or plus épaisses, les contacts sont réalisés en appliquant des gouttes de pâte d'argent sur les deux extrémités des fils.

Dans chaque section illustrée ici, des micrographies électroniques à balayage montrent les intervalles de trois structures différentes à nano-intervalle, chacune préparée avec un OL différent. Ces images ont été prises après le décapage. De haut en bas, les organiques éliminés par plasma d'oxygène correspondent aux intervalles produits à l'aide d'un OL de DODÉCANE à 12 atomes de carbone, d'un OL de TÉTRADECANE à 14 atomes de carbone et d'un OL d'HEXADECANE à 16 atomes de carbone, respectivement.

Les écarts sont qualitativement plus grands lorsque la longueur des molécules augmente. Tous les écarts sont inférieurs à la limite de résolution de quatre nanomètres de l'instrument. Un soutien quantitatif à l'augmentation de la taille des écarts est observé dans la mesure du logarithme de la densité de courant en fonction de la tension pour chacune des structures de ce graphique, les carrés noirs représentant les données pour les dispositifs 12 do DECANE HY.

Les triangles rouges correspondent aux dispositifs HY d'une tétrade de 14, et les cercles bleus correspondent aux dispositifs AL d'une hexade de 16. L'encart montre le logarithme de la densité de courant à 500 millivolts en fonction de la longueur de la molécule d'AL utilisée pour créer l'entrefer. La bonne corrélation linéaire confirme l'attente d'une décroissance exponentielle du courant avec l'augmentation de la longueur moléculaire, et la pente est conforme à d'autres mesures de tunnelage à travers des alcanes.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment fabriquer des électrodes à nano-intervalle présentant différentes tailles d'espacement à l'aide de la nano-skying.