בודה Nanogaps ידי Nanoskiving

המטרה הכוללת של פרוצדורה זו היא לייצר אלקטרודות בעלות יחס רב-מימדי גבוה ומרווח ננומטרי באמצעות קילוף ננומטרי (nanos skiving). פעולה זו מתבצעת תחילה על ידי שיקיע סרט זהב דק על פרוסת סיליקון והעברתו לתשתית אפוקסי. השלב השני הוא יצירת שכבה מונולאית המרכיבה את עצמה (self-assembled monolayer) של alkan thiols על גבי סרט המתכת.

בשלב הבא, מרו எதிர்பת זהב שניתית. שכבה זו מוסטת ביחס לשכבה הראשונה. השלב הסופי הוא חיתוך של פרוסות דקות מהמבנה באמצעות אולטרה-מיקרוטום.

היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון צילום פוטוגרפי או מיקרו-פוטוגרפיה, הוא שניתן לייצר אלפי אלקטרודות עם מרווחי ננו (nano gap) ברזולוציה סוב-מטרית לפי דרישה, ולמקם אותן על כל תשתית שרירותית ללא שימוש בחדר נקי או בתהליכי פוטוליתוגרפיה קונבנציונליים. הצורה ויחס ההיבט של מרווחי הננו מאפשרים פנייה ישירה אליהם בבדיקה ללא שלבי ייצור ביניים, כגון הגדרת נתיבי מגע. כדי להתחיל בייצור המבנה, התחילו עם פרוסת סיליקון בגודל שלושה אינץ' בדרג טכני.

טפל בו במנקה פלזמה באוויר למשך 30 שניות. לאחר מכן, חשוף אותו לאדי פלואור פחמנית למשך שעה אחת; לאחר החשיפה, השתמש במסכת טפלון המתאימה לאורך התיל הרצוי כדי לאדות שכבת זהב על גבי הפרוסה שעברה טיפול מקדים. עובי השכבה המאודה, 100 ננומטר בניסוי זה, מגדיר את רוחב התיל. עם סיום האידוי, כסה את הפרוסה כולה בכ-8.5 מיליליטר של פולימר מקדים של אפוקסי.

הניחו את הפרוסה (wafer) ואת האפוקסי בתנור בטמפרטורה של 60 °C למשך שלוש שעות לצורך הקשיה; לאחר ההקשיה, כאשר הדגימה בטמפרטורת החדר, הכניסו את קצהו של להב תער לממשק שבין פרוסת הסיליקון לאפוקסי. קלפו בעדינות את שכבת האפוקסי מפרוסת הסיליקון, כך שהזהב יישאר דבוק לאפוקסי. יש להיזהר לא לשבור את פרוסת הסיליקון כדי להשיג מרווחים של פחות מ-5 nm.

בחר אלקאן-דיול (Alcan diol) מתאים עבור רוחב המרווח הרצוי. הכן תמיסה בריכוז 1 mM של ה-Alcan YL באתנול. טבול את הזהב שעל האפוקסי בתמיסה זו של השכבה המונחית בעצמה (self assembling monolayer).

הנח את המיכל בתא סגור המנוקה בחנקן. השאר אותו למשך הלילה. לאחר שמונה שעות לפחות, הוצא את המיכל מהתא הסגור והוצא את תשתית האפוקסי המוזהבת מהתמיסה של השכבה המוניקולרית המסתדרת עצמית.

שטפו זאת באתנול וייבשו בחנקן. לאחר מכן, ייבשו בטמפרטורה של 60 °C למשך שתי דקות. זמני ייבוש ממושכים יותר עלולים לפגוע בשכבת ה-Sam.

לאחר הייבוש, החזר את מסכת הטפלון אל מצע האפוקסי עם היסטה צדית של כ-80% מהמימד המקרוסקופי הקצר יותר של תבניות הזהב, ושבץ שכבה שנייה של זהב דרך המסכה בניסוי זה. עובי השכבה השנייה זהה לעובי השכבה הראשונה, 100 nanometers. ברגע שהאידוי הושלם, הסר את מסכת הטפלון.

הקפידו שלא לשרוט את התכונות. השקיעו את כל התשתית ב-8.5 milliliters של פרה-פולימר אפוקסי. הניחו אותה בתנור בטמפרטורה של 60 degree Celsius למשך שלוש שעות לצורך פולימריזציה.

לאחר שהדגימה התקשתה והתקררה, השתמשו במסור צורפים כדי לחתוך את המבנים לחתיכות של 4 מילימטר על 10 מילימטר. הניחו כל חתיכה בבאר נפרדת בתבנית מיקרוטום מסוג polyethylene coffin. לאחר מכן, מלאו את התבנית בפולימר מקשר (epoxy pre polymer).

לבסוף, הניחו את הדגימה בתנור בטמפרטורה של 60 °C להקשחה למשך הלילה. לצורך חיתוך דגם, הוציאו את הבלוק מתבנית הפוליאתילן והרכיבו את הדגימה במחזיק הדגימות. חברו את מחזיק הדגימות לאביזר הקיצוץ והרכיבו אותו במיקרוטום האולטרה.

בשלב הבא, נקו את להב התערה באתנול. בחן את הלהב תחת סטריאוסקופ כדי לוודא שאין עליו שברי מתכת. השתמש בתער כדי לקצץ את הבלוק לרוחב של סכין היהלום.

בצורה של טרפז, ציידו את המיקרוטום האולטרה בסכין זכוכית. יש ליישר את הסכין במקביל לקצה התחתון של פני הבלוק. התחילו בחיתוך מקדים כדי להגדיר משטח חלק בפני העליון של הבלוק.

בסיום ייצור המבנה המתכתי, החליפו את סכין הזכוכית בסכין יהלום. שוב, יישרו את סכין היהלום כך שתהיה מקבילה לפניו התחתונה של הבלוק. בסרטון זה, הבלוק נחתך לעובי של 100 nanometers במהירות של one millimeter per second.

ניתן לוודא את עוביהן של שכבות אלו באמצעות טבלאות ייחוס של צבעים. אם יש לבצע מדידות חשמליות, הניחו מצע של סיליקון דיאוקסיד מתחת למים במאגר הסכין. העלו את המצע באיטיות כדי לאסוף מפני השטח של המים את שכבות האפוקסי המכילות את המבנים.

ייבשו את הפרוסות בטמפרטורה של 60 °C למשך שלוש שעות כדי לשפר את ההיצמדות שלהן לתשתית. המדידות החשמליות מתחילות בהנחת פרוסות האפוקסי המנוקות והמיובשות תחת מיקרוסקופ אור; המבנים המתכתיים המוטמעים ייראו כקו שחור או שיהיו גלויים באופן ישיר. במקרה של מבני הזהב העבים יותר, המגעים נוצרים על ידי הנחת טיפות של משחת כסף בשני קצות החוטים.

בכל אחד מהסעיפים המוצגים כאן מופיעות מיקרוגרפיה של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הפערים בשלושה מבני ננו-פער שונים, כאשר כל אחד מהם הוכשיר באמצעות אלכוהול שונה. תמונות אלו צולמו לאחר תהליך שריפה (ashing). החומרים האורגניים שסוקו בפלסמת חמצן, מלמעלה למטה, הם הפערים שנוצרו באמצעות 12-dodecanol, 14-tetradecanol ו-16-hexadecanol, בהתאמה.

המרווחים גדולים יותר מבחינה איכותית ככל שאורך המולקולות גדל. כל המרווחים נמוכים מגבול הרזולוציה של 4 ננומטר של המכשיר. תמיכה כמותית לגדלה של המרווח נראית במדידת צפיפות הזרם הלוגריתמית לעומת המתח עבור כל אחד מהמבנים בגרף זה, כאשר הריבועים השחורים מייצגים נתונים עבור מכשירי ה-12 do DECANE HY.

המשולשים האדומים מייצגים את מכשירי ה-HY בעלי 14 tetra decade, והעיגולים הכחולים מייצגים את מכשירי ה-AL בעלי 16 HEXA decade. הגרף המוטמע מציג את הלוגריתם של צפיפות הזרם ב-500 millivolts אל מול אורך מולקולת ה-AL ששימשה ליצירת המרווח. ההתאמה הלינארית הטובה תומכת בציפייה לירידה מעריכית בזרם עם העלייה באורך המולקולרי, והשיפוע תואם למדידות אחרות של מנהור דרך al Canes.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי אופן הייצור של אלקטרודות עם מרווח ננומטרי (nano gap) בגדלים שונים באמצעות טכניקת nano skying.