Realizzazione nanogap da Nanoskiving

L'obiettivo generale di questa procedura è fabbricare elettrodi con nano-intervalli ad alto rapporto di aspetto utilizzando la tecnica di nanoskiving. Questo risultato si ottiene innanzitutto depositando un sottile film di oro su un wafer di silicio e trasferendolo su un substrato in epoxido. Il secondo passo consiste nel formare uno strato monoatomico autoassemblato di alcanotiol sulla superficie del film metallico.

Successivamente, viene depositato un secondo strato d'oro, posizionato in modo sfalsato rispetto al primo. L'ultimo passaggio consiste nel sezionare sottili fette della struttura mediante un ultramicrotomo.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come la fotografia o la microfotografia è che migliaia di elettrodi con nanointervalli possono essere realizzati su richiesta con risoluzione submicrometrica e posizionati su qualsiasi substrato arbitrario, senza l'uso di una camera bianca o di alcun processo convenzionale di fotolitografia. La forma e il rapporto d'aspetto dei nanointervalli consentono di collegarli direttamente in un collaudo, senza passaggi intermedi di fabbricazione, come la definizione di percorsi di contatto. Per iniziare la fabbricazione di una struttura, si parte da una fettuccia di silicio di grado tecnico da tre pollici.

Trattarlo in un pulitore a plasma d'aria per 30 secondi. Successivamente, esporlo al vapore di silane perfluorato per un'ora; dopo l'esposizione, utilizzare una maschera in Teflon adatta alla lunghezza desiderata del filo per evaporare uno strato d'oro sul wafer pretrattato. Lo spessore dello strato evaporato, pari a cento nanometri in questo esperimento, definisce la larghezza del filo. Al termine dell'evaporazione, ricoprire l'intero wafer con circa 8,5 millilitri di prepolimero di resina epossidica.

Posizionare la wafer e l'epossidica in un forno a 60 gradi Celsius per indurirli per tre ore; dopo l'indurimento, con il campione a temperatura ambiente, inserire il bordo di una lametta nel punto di interfaccia tra la wafer di silicio e l'epossidica. Staccare delicatamente lo strato di epossidica dalla wafer di silicio in modo che l'oro rimanga aderente all'epossidica. Fare attenzione a non rompere la wafer di silicio per ottenere intervalli inferiori a cinque nanometri.

Scegliere un diolo Alcan appropriato per la larghezza del gap desiderata. Preparare una soluzione monomolare di Alcan YL in etanolo. Immergere l'oro su epoxy in questa soluzione per la formazione di un monostrato autoassemblato.

Posizionare il contenitore in una camera chiusa che sia stata spurgata con azoto. Lasciarlo a riposo per tutta la notte. Dopo almeno otto ore, prelevare il contenitore dalla camera chiusa ed estrarre il substrato in resina epossidica dorata dalla soluzione del monolayer autoassemblante.

Sciacquarlo con etanolo e asciugarlo con azoto. Quindi asciugarlo a 60 gradi Celsius per due minuti. Tempi di asciugatura più lunghi potrebbero danneggiare lo strato di Sam.

Dopo l'essiccazione, riposizionare la maschera in Teflon sul substrato di resina epossidica con un offset laterale di circa l'80% della dimensione macroscopica più corta delle strutture d'oro ed evaporare un secondo strato d'oro attraverso la maschera in questo esperimento. Lo spessore del secondo strato è uguale a quello del primo, ovvero 100 nanometri. Al termine dell'evaporazione, rimuovere la maschera in Teflon.

Avendo cura di non graffiare le strutture. Rivestire l'intero substrato con 8,5 millilitri di prepolimero epoxico. Posizionarlo in un forno a 60 °C per polimerizzare per tre ore.

Dopo che il campione è stato polimerizzato e raffreddato, utilizzare un seghetto da intaglio per ritagliare le caratteristiche in pezzi di quattro millimetri per 10 millimetri. Posizionare ciascun pezzo in un pozzetto separato di uno stampo per microtomo a forma di bara in polietilene. Successivamente, riempire lo stampo con prepolimero di resina epossidica.

Infine, posizionarlo in un forno a 60 gradi Celsius per polimerizzare durante la notte. Per sezionare un campione, rimuovere un blocco dalla monta in stampo di polietilene e montare il campione nel portacampioni. Fissare il portacampioni all'accessorio per la rifinitura e montarlo nel microtomo ultramicrotomo.

Successivamente, pulire un rasoio con etanolo. Ispezionare la lama al microscopio stereoscopico per assicurarsi che non siano presenti frammenti metallici. Utilizzare il rasoio per rifilare il blocco alla larghezza della lama di diamante.

In forma di trapezio, equipaggiare l'ultramicrotomo con un coltello di vetro. Il coltello deve essere allineato parallelamente al bordo inferiore della superficie del blocco. Iniziare il pre-taglio per definire una superficie liscia sulla faccia superiore del blocco.

Una volta terminata la fabbricazione di una struttura metallica, sostituire il coltello di vetro con un coltello al diamante. Allineare nuovamente il coltello al diamante in modo che sia parallelo alla faccia inferiore del blocco. In questo video, il blocco viene sezionato a 100 nanometri a una velocità di un millimetro al secondo.

Lo spessore di queste sezioni può essere verificato utilizzando tabelle di riferimento colorate. Se devono essere effettuate misurazioni elettriche, posizionare un substrato di biossido di silicio sotto l'acqua nel serbatoio della lama. Sollevare lentamente il substrato per raccogliere le sezioni di resina epossidica contenenti le strutture dalla superficie dell'acqua.

Asciugare le sezioni a 60 gradi Celsius per tre ore per migliorarne l'adesione al substrato. Le misurazioni elettriche iniziano montando le sezioni di resina epossidica pulite e asciutte sotto un microscopio ottico, dove le strutture metalliche incorporate saranno visibili come una linea nera o direttamente visibili. Nel caso delle strutture d'oro più spesse, i contatti vengono realizzati applicando gocce di pasta di argento alle due estremità dei fili.

In ogni sezione mostrata qui sono presenti micrografie elettroniche a scansione degli intervalli di tre diverse strutture con nano-intervalli, ciascuna preparata con un diverso ol. Queste immagini sono state acquisite dopo l'ashing. Gli organici con plasma di ossigeno dall'alto verso il basso sono gli intervalli prodotti utilizzando un OL di DODECANE, un OL di TETRADECANE e un OL di ESADECANE, rispettivamente.

Gli spazi risultano qualitativamente più ampi all'aumentare della lunghezza delle molecole. Tutti gli spazi sono al di sotto del limite di risoluzione dello strumento, pari a quattro nanometri. Il supporto quantitativo all'aumento delle dimensioni degli spazi si osserva nella misura della densità logaritmica della corrente in funzione della tensione per ciascuna delle strutture riportate in questo grafico; i quadrati neri rappresentano i dati relativi ai dispositivi 12 do DECANE HY.

I triangoli rossi si riferiscono ai dispositivi HY tetra decade 14, e i cerchi blu ai dispositivi AL HEXA decade 16. L'inserto mostra il logaritmo della densità di corrente a 500 millivolt in funzione della lunghezza della molecola AL utilizzata per creare il gap. L'ottimo adattamento lineare conferma l'aspettativa di una diminuzione esponenziale della corrente all'aumentare della lunghezza molecolare, e la pendenza è compatibile con altre misure di tunneling attraverso al Canes.

Dopo aver visionato questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come realizzare elettrodi con nano-intervalli di diverse dimensioni utilizzando la tecnica del nano skiving.