מאמר שיטה

בודה Nanogaps ידי Nanoskiving

10.9K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/50406

⸱

13 במאי 2013

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

במאמר זה

סיכום

הייצור של חשמל למיעון,-היבט יחס גבוה (> 1000:1) nanowires המתכת מופרד בפערים של ננומטרים בודדים או באמצעות ההקרבה של שכבות אלומיניום וכסף או monolayers עצמית התאספו כתבניות מתואר. מבנים אלה nanogap מפוברקים בלי חדר נקי או כל תמונה או קרן האלקטרונים תהליכי יתוגרפיות על ידי צורה של הקצה המכונה ליתוגרפיה nanoskiving.

תקציר

ישנן מספר שיטות של בודה nanogaps עם spacings מבוקר, אבל השליטה המדויקת את המרווח תת ננומטר בין שתי אלקטרודות-ויצירתם בכמויות מעשיות, האם עדיין מאתגרת. הכנת אלקטרודות nanogap באמצעות nanoskiving, שהוא סוג של ליתוגרפיה קצה, היא טכניקה מהירה, פשוטה ורבת עוצמה. שיטה זו היא תהליך מכאני לחלוטין שאינו כולל את כל תמונה או צעדי יתוגרפיות קרן אלקטרונים ואינו דורש שום ציוד או תשתיות מיוחדים, כגון חדרים נקיים. Nanoskiving משמש לפברק nanogaps חשמלי למיעון עם שליטה על כל שלושת הממדים; הממד הקטן ביותר של מבנים אלה מוגדר על ידי עובי שכבת ההקרבה (אל או Ag) או monolayers עצמית התאספו. חוטים אלה יכולים להיות ממוקמים באופן ידני על ידי שהעביר אותם על טיפות מים, והם ישירות חשמליים-מיעון; לא יתוגרפיה נוספת נדרש כדי לחבר אותם לelectrometer.

מבוא

מאמר זה מתאר את הייצור של nanowires גבוה היבט יחס, חשמלי מיעון של זהב מופרד בפערים של ננומטרים בודדים באמצעות ואקום הופקד אלומיניום וכסף כשכבות spacer ההקרבה לפערים> 5 ננומטר וmonolayers עצמית התאספו (Sams) של alkanedithiols לפערים קטנים כמו 1.7 ננומטר. אנו מפוברקים ננו האלה בלי חדר נקי או בכל תהליכי photolithographic על ידי מבני כריך חתך של זהב מופרד בspacer ההקרבה באמצעות ultramicrotome, צורה של הקצה המכונה ליתוגרפיה nanoskiving. 1-3 שיטה זו היא שילוב של בתצהיר של מתכת דקה סרטים וחתך באמצעות ultramicrotome. הצעד העיקרי בnanoskiving הוא חיתוך סעיפים דקים עם ultramicrotome מצויד בסכין יהלום אשר מחובר לסירה מלאה במים כדי לייצר לוחות כי הם רזים כמו ~ 30 ננומטר. Ultramicrotomes נמצאים בשימוש נרחב להכנת דגימות דקות להדמיה עם אופטי או לבחורמיקרוסקופיה רון ורבים ממתרגלי הניסיון הרבים ביותר של ultramicrotomy מגיעים מרקע ביולוגי או רפואי. ישנן מספר שיטות של nanogaps בודה, כולל צמתים מכאניים לשבור, 4 קרן אלקטרונים ליתוגרפיה, ציפוי אלקטרוכימי 5, 6, 7, 8 electromigration יתוגרפיה אלומת יונים ממוקדת, אידוי בצל 9, 10 ובדיקת סריקת מיקרוסקופ כוח אטומי, 11 יתוגרפיה על התיל , 12 שליטים ומולקולריים. -13 כל השיטות האלה יש מאפיינים והיישומים שלהם, אבל הפקה ופונה nanogaps גם במספרים שימושיים ועם שליטה מדויקת את הממדים של הפער עדיין מהווה אתגר. בנוסף יש שיטות אלה עלויות תפעול גבוהות, הם מוגבלים למעמד של חומרים שיכולים לשרוד את תהליכי התחריט, ומוגבלות ברזולוציה. Nanoskiving מאפשר ייצור המהיר של nanowires חשמלי-מיעון עם spacinGS של ננומטרים בודדים על הספסל העליון. אנחנו מעוניינים בדיגום המהיר של ננו לאלקטרוניקה מולקולרית, שעבורו את האלקטרודות המפוברקת ננו אינה דורשת טכניקות מיוחדות או זמן רב, 14 פעם בבלוק מורכב, זה יכול לייצר מאה אלפי ננו, (סדרתי) על ביקוש. עם זאת, הטכניקה היא לא מוגבלת לטילים נ"מ או אלקטרוניקה מולקולרית, והוא שיטה כללית להכנת פער בין שני ננו. במאמר זה אנו משתמשים בכסף, אלומיניום, וטילים נ"מ כשכבות ההקרבה לייצר פערים בגדלים שונים בין nanowires הזהב, אבל הטכניקה אינה מוגבלת לחומרים אלה (או לnanowires מתכתי). את החוטים הם איסוף ומקום, ועולים בקנה אחד עם יישור מגנטי, ובכך הם יכולים להיות ממוקמים על מצעים שרירותיים. כוח נוסף של 15 nanoskiving הוא שהיא מאפשרת שליטה על כל שלושת הממדים. מידותיו של הדגימות נקבעות על ידי הטופוגרפיה של המצע (X),עוביו של הסרט הופקד (Y) ואת העובי של לוח המיוצר על ידי ultramicrotome (Z). איור 1 מסכם את ההליך המשמש לייצור את nanowires עם המרווח המוגדר. תכונות זהב (1-2 מ"מ אורך) מופקדות על ידי אידוי דרך מסכת טפלון על גבי מצע סיליקון. Epofix (מיקרוסקופית אלקטרונים מדעים) אפוקסי מראש פולימר הוא שפך על כל פרוסות סיליקון, המכסה את תכונות הזהב, כאשר הוא נרפא אפוקסי, אפוקסי מופרד מהרקיק (כלומר באמצעות תבנית הפשטה); תכונות הזהב להישאר דבק אפוקסי . להקרבת שכבות מתכתיות, אלומיניום או כסף הוא התאדה עם העובי הרצוי באמצעות מסכת הטפלון עם קיזוז של 200-500 מיקרומטר על תכונות הזהב. כדי לייצר תת 5 פערי ננומטר, סם הוא נוצר על ידי השריית את תכונות הזהב בפתרון האתנולית 1 מ"מ של dithiol המתאים בן לילה. סט שני של זהב (או מתכת אחרת) שהופקד על ידי הצבת את המסכה מעל צל הטפלוןהשכבה הראשונה של תכונות זהב (מכוסה בכסף, אלומיניום או SAM) עם קיזוז של 200-500 מיקרומטר ביחס לאידוי הראשון. זה קיזוז סופו של דבר להגדיר את הממד הארוך ביותר של הפער, ואת זה ניתן למדוד במדויק באמצעות מייקר שליט לפני ההטבעה את כל המבנה באפוקסי עבור חתך. ואז כל המבנה מוטבע בתוך גוש של אפוקסי אשר לאחר מכן יכול להיות מוכן לחתך עם ultramicrotome. זרוע המדגם מחזיקה בלוק המוכן כמו התקדמות סכין היהלום לכיוון זה בצעדים מבוקרים שיגדירו את העובי של הלוחות. סעיף כתוצאה מכך צף על המים בסירה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הכנת בלוק עבור חתך

  1. פנק את "רקיק טכני בדרגת 3 סיליקון בפלזמת אוויר נקי למשך 30 שניות ולאחר מכן חושף אותה ל( tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) אדי trichlorosilane במשך שעה אחת. הערה: צעד זה הוא הכרחי לפני שלב 1.4 כדי למנוע אפוקסי מהקפדה על פרוסות סיליקון.
  2. להפקיד רובד של זהב (בדרך כלל 100 ננומטר עבה, המגדיר את הרוחב של חוטים) באמצעות הורים טפלון (המגדיר את אורך החוטים הנובעים; 0.5 מ"מ, 1 מ"מ, או 1.5 מ"מ) על גבי סיליקון טרום טיפול רקיק.
  3. לכסות את כל רקיק עם ~ 8.5 מ"ל של Epofix אפוקסי מראש פולימר ולרפא במשך שלוש שעות ב 60 ° C.
  4. תבנית-להפשיט שכבת הזהב על ידי קילוף אפוקסי בזהירות מהרקיק כך שהזהב נותר מחובר לאפוקסי נרפא. הכנס את הקצה של סכין גילוח בממשק שבין פרוסות סיליקון ואפוקסי ולאחר מכן בעדינות לקלף את שכבת אפוקסי מפרוסות סיליקון. בגלל עניי ההידבקות של זהב לפרוסות סיליקון fluorinated (שלב 1.1) את תכונות הזהב יישארו דבקים אפוקסי. הערה: היזהר שלא לשבור את פרוסות סיליקון, אחרת חלקיקי סיליקון יפגעו סכין היהלום בצעד חתך.
  5. אותה מסכת הטפלון ממוקמת חזרה על תכונות הזהב, אבל רוחבי קוזזה על ידי ~ 80% מהממד הקצר ביותר מהתכונות הזהב ולהפקיד רובד של אלומיניום או כסף דרך אדון הטפלון. עובי שכבה זו יגדיר את המרווח של ננו הפער בין חוטי הזהב. הגבול התחתון תלוי במתכת, אבל הוא ~ 5 ננומטר לאלומיניום וכסף, שמתחתיו השכבות הפכו רציפה. הערה: זה קוזז סופו של דבר מגדיר את אורכו של החפיפה בין שתי אלקטרודות זהב ואתה יכול למדוד את זה במייקרו שליט .
  6. לפערים שלהלן 5 ננומטר: לטבול את תבנית הזהב-הפשיטו באפוקסי בפתרון של 1 מ"מ alkanedithiolבאתנול (או כל ממס שלא יתנפח אפוקסי) הלילה בחדר סגור, כי הוא טיהר עם חנקן (כדי להקטין את היווצרות הספונטנית של disulfides). (במאמר זה אנו משתמשים 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol או 1,16-hexadecanedithiol לייצר פערים ברוחב שונים מתחת 3 ננומטר.) הסר את התבנית-הפשיט מצע זהב ב-אפוקסי מSAM היוצרים פתרון. יש לשטוף אותו עם אתנול ולייבש אותו עם חנקן לפני הייבוש ב 60 דקות 2.
  7. אם באמצעות SAM, הנח את מסכת הטפלון על גבי מצע אפוקסי אבל רוחבי קוזז על ידי ~ 80% מהממד הקצר ביותר מהתכונות הזהב. אם אתם משתמשים במתכת, המסכה היא כבר במצב לאחר שלב 1.5, ולכן אין לשנות את מיקומה של המסכה אחרי התצהיר של האלומיניום או הכסף.
  8. להפקיד רובד שני של זהב או כל מתכת אחרת דרך המסכה. שכבה זו בדרך כלל תהיה מורכבת מאותה המתכת בעובי כראשון (100 ננומטר בעובי במקרה זה).
  9. להסירמסכת הטפלון, נזהר שלא לשרוט את התכונות, אשר תגרום בnanowires שבורים.
  10. Re-להטביע את כל המצע בEpofix מראש פולימר (~ 8.5 מ"ל) ולרפא אותה לפחות שלוש שעות ב 60.
  11. חותכים את התכונות החוצה באמצעות המסור של תכשיט (ל~ 4 x 10 חתיכות מ"מ) ולמקם כל לתוך באר נפרד בארון'''' עובש microtome פוליאתילן.
  12. מלא את התבנית עם Epofix מראש פולימר, ולרפא אותו לילה בשעה 60 ° C.

2. חתך

  1. הסר בלוק מעובש פוליאתילן ולהרכיב אותה בבעל המדגם.
  2. צרף את בעל המדגם לקובץ המצורף זמירה ולהרכיב אותה בultramicrotome.
  3. יש לנקות את סכין גילוח עם אתנול להסיר חומר סיכה ושברי מתכת ולבדוק את הקצה של סכין הגילוח תחת stereoscope של ultramicrotome. כל שברים שנותרו יפגעו סכין היהלום בחתך. חתוך את הבלוק לרוחב סכין היהלום (wדואר להשתמש 2 מ"מ או 4 מ"מ Diatome Ultra 35 מעלות) בצורת טרפז (כי זה הוא הצורה היציבה ביותר עבור חתך). הערה: כמה ultramicrotomes להשתמש זמירה קבצים מצורפים שהר לזרוע החיתוך, אבל אנחנו להשיג תוצאות טובות יותר עם ​​סכיני גילוח .
  4. ישר את הקצה של סכין זכוכית מקבילה לקצה התחתון של פניו של הבלוק.
  5. התחל מראש עם חיתוך ultramicrotome (השתמשנו יקה EMUC-6) מצוידים בסכין זכוכית להגדיר משטח חלק על פניו של הבלוק.
  6. לפברק מבנה מתכתי, החלף את סכין הזכוכית עם סכין יהלום, מחדש ליישר אותו, וסעיף לבלוק או 100 ננומטר ב 1 מ"מ / שנייה או 50 ננומטר ב 0.6 מ"מ / שנייה. סעיפי Epofix הם יציבים עד ~ 30 ננומטר הערה: אימות קלה של עוביים של החלקים היא הצבע שלהם, אשר משתנה לחיזוי כפונקציה של עובי ואינו תלויות בשרף אשר שימש; כרטיסי התייחסות זמינים.. 16
  7. לאסוף את חלקי אפוקסי המכילים את המבנים מפני השטח של המים במאגר של הסכין בנפרד באמצעות לולאה מושלמת (מדעי מיקרוסקופית אלקטרונים) או כסרטים של כמה חלקים לSi/SiO2 (לSEM) או SiO2 (עבור חשמל מדידות) מצע על ידי הצבת מצע מתחת לפני השטח של המים והרים אותו לאט.
  8. ייבש את החלקים ב 60 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות כדי לשפר את הידבקותם למצע.
  9. כדי אפר אפוקסי, לחשוף את הדגימות לפלזמת חמצן (15 דקות ב mbar 1 הוא מספיק כדי להסיר את כל העקבות של אפוקסי מ100 או 50 חלקי ננומטר בעובי). הערה: אם בודה ננו מדידות חשמליות, שלב זה חייב להיות מתבצע לאחר שלב 4.

3. תחריט מתוך השכבה של קורבן

  1. לאלומיניום: הנח את החלקים המכילים אלומיניום בתמיסה מימית של HCl M 2 במשך שעה 2. לכסף: לחשוף את החלקים לפלזמת חמצן במשך 10. דקות הערה: הבחירה של חומרים מאפשרת גם רטוב תחריט (באמצעות HCl) או יבש-תחריט (באמצעות פלזמה חמצן), לעומת זאת כסף ניתן להסיר על ידי תחריט רטוב גם כן.
  2. לטילים נ"מ: טיפול פלזמה באופן חלקי את etches סאמס, אבל אנחנו לא הצלחנו במאמצינו לאפיין באיזו מידה.

4. מדידות חשמליות

  1. חלקי אפוקסי מניחים על מצע SiO2 שנוקה ביסודיות (למשל באמצעות פתרון piraña) ולייבש אותם (שלבים 2.7 ו -2.8).
  2. הר המצע תחת מיקרוסקופ אור או stereoscope המצורף ultramicrotome.
  3. החל טיפות של רסק כסף (או דיו פחם) על שני קצוות של חוטים בכל מקטע. מבנים מתכתיים אלה משובצים יהיו גלויים כמו גם קו שחור (מממשק הזהב / אפוקסי) או, במקרה של מבני זהב עבים יותר (מהמדרגות בתצהיר), ישירות לעין. בכל מקרה, יש להחיל את טיפותמספיק רחוק מהמרכז לקצר את ננו הפערים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

הכנו מבני nanogap על ידי שילוב של שתי שכבות מתכתיות כהקרבת spacer: אלומיניום וכסף. אנו חרוטים שכבות אלה כדי להשיג פערים של עוביים הרצויים. כפי שתואר בסעיף הפרוטוקול, לאחר חתך שנחשפנו המבנים שמכילים כסף לפלזמת חמצן, ואלו המכילים אלומיניום לHCl המימית. איור 2 מראה סריקת micrographs אלקטרונים (SEM) של nanowires כתוצאה מכך עם הפרדה בקנה מידה ננומטרי. בשני המקרים פערים הם ברורה לעין וניתן למדידה באופן ישיר. כדי להשיג פערים מתחת ל -3 ננומטר, השתמשנו בטילים נ"מ של 1...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

במאמר זה אנו מדגימים את הייצור של מבני nanogap באמצעות nanoskiving. שיטה בניסוי פשוט זה מאפשר ייצור של ננו בשיעור של אחד לשנייה בערך, עם שליטה על כל שלושת הממדים. הפער בגודל מוגדר על ידי שילוב שכבות או ההקרבה של אלומיניום וכסף או monolayers עצמית התאספו של dithiols (אשר מקנה רזולוציה קטנה כמו). ניתן למקם את ננו ביד על כל מצע שרירותי והם ישירות למיעון חשמלי, שהוא מאפיין ייחודי של nanoskiving. טכניקה זו גם מייצרת מבנים אחידים מאוד, אולם חלקים דקים מאוד (<50 ננומטר) רגישים לתנודות...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

תודות

עבודה זו היא חלק מתכנית השמש המשותפת (JSP) של Hyet השמש וStichting voor Fundamenteel Onderzoek דר Materie FOM, שהוא חלק מארגון הולנד למחקר מדעי (NWO).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
<חזק>מגיב / חומר< / חזק>
אפופיקס שרף אפוקסי אלקטרונים מיקרוסקופיה1232
Sciences
Schone Edelmetaal B.V
אלומיניום Umicore חומרים AG
כסף Umicore חומרים AG
( tridecafluoro-1,1,2,2, ABCR GmbH co. KG78560-45-9
-tetrahydrooctyl)
trichlorosilane
,12-dodecanedithiol סינתזה ביתיתעל פי: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,14-tetradecanedithiol מסונתז בבית על פי: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,16-hexadecanedithiol מסונתז בביתעל פי: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
Equipment
Thermal deposition system ביתי
Ultramicrotome Leica מיקרוסיסטמס
סכין דימנוד אולטרה 35 דיאטוםDU3540
סכין דימנוד אולטרה 45 Scimed GMBH
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק JOEL
מד מקור Keithley
<חזק>טבלה 1. טבלאות של ריאגנטים וציוד ספציפיים.

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

NanogapNanoskiving

מאמרים קשורים