Methodenartikel

Fabriceren Nanogaps door Nanoskiving

10.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/50406

⸱

13 mei 2013

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

In dit artikel

Samenvatting

De fabricage van elektrisch adresseerbare, high-aspect-ratio (> 1000:1) metalen nanodraden gescheiden door spleten van enkele nanometers behulp van opofferende lagen aluminium en zilver of zelf-geassembleerde monolaag zoals templates wordt beschreven. Deze nanogap structuren zijn vervaardigd zonder clean room of een foto-of electron-beam lithografische processen door een vorm van edge lithografie bekend als nanoskiving.

Samenvatting

Er zijn verschillende methoden voor het vervaardigen nanogaps met geregelde afstanden, maar de precieze controle over de sub-nanometer afstand tussen twee elektroden genereren en deze in de praktijk nog-hoeveelheden uitdagend. De bereiding van nanogap elektroden met nanoskiving, die een vorm van de rand lithografie, is een snelle, eenvoudige en krachtige techniek. Deze methode is een volledig mechanisch proces dat niet bevat geen foto-of electron-beam lithografie stappen en geen speciale apparatuur of infrastructuur, zoals schone kamers niet nodig. Nanoskiving wordt gebruikt om elektrisch adresseerbare nanogaps fabriceren met controle over alle drie dimensies, de kleinste afmeting van deze structuren wordt bepaald door de dikte van de opofferingslaag (Al of Ag) of zelf-geassembleerde monolagen. Deze draden kunnen handmatig worden gepositioneerd door het vervoeren op druppels water en direct elektrisch adresseerbare, geen verdere lithografie nodig hebben om deze op eenelectrometer.

Inleiding

Dit document beschrijft de fabricage van elektrisch adresseerbare, high-aspect-verhouding nanodraden van goud gescheiden door spleten van enkele nanometers die van vacuüm-opgedampt aluminium en zilver als een offer spacer lagen voor hiaten> 5 nm en zelf-geassembleerde monolagen (SAM) van alkanedithiols voor openingen zo klein als 1,7 nm. We gefabriceerd Deze nanostructuren zonder clean room of fotolithografische processen snijden sandwichconstructies goud gescheiden door een opofferende spacer met een ultramicrotoom, een vorm van de rand lithografie bekend als nanoskiving. 1-3 Deze methode is een combinatie van de depositie van dunne metalen films en snijden met behulp van een ultramicrotoom. De belangrijkste stap in nanoskiving snijdt dunne secties met een ultramicrotoom met diamant mes dat is bevestigd aan een boot vol water platen die zo dun ~ 30 nm te produceren. Ultramicrotomes worden veel gebruikt voor de bereiding van dunne monsters voor beeldvorming met optische of kiezenron microscopie en veel van de meest ervaren beoefenaars van ultramicrotomie uit een biologische of medische achtergrond. Er zijn verschillende methoden voor het vervaardigen nanogaps inclusief mechanische breekjuncties, 4-electron beam lithografie 5, elektrochemische plating, 6, 7 elektromigratie, 8 focused ion beam lithografie, 9 schaduw verdamping, 10 scanning probe en atomic force microscopie, 11 on-wire lithografie , 12 en moleculaire heersers. 13 Al deze methoden hebben hun eigen kenmerken en toepassingen, maar het produceren en het aanpakken nanogaps zowel in bruikbare aantallen en met nauwkeurige controle over de afmetingen van de kloof blijft een uitdaging. Naast deze werkwijzen hebben hoge exploitatiekosten, ze zijn beperkt tot de klasse van materialen die de etsprocessen kunnen overleven en zijn beperkt in resolutie. Nanoskiving maakt de snelle fabricage van elektrisch adresseerbare nanodraden met Spacings van enkele nanometers op de bench-top. Wij zijn geïnteresseerd in de snelle prototyping van nanostructuren voor Moleculaire elektronica, waarvoor de nano-gefabriceerde elektroden niet gespecialiseerd of tijdrovende technieken vereisen; 14 keer per blok is gemaakt, kan het honderdduizenden nanostructuren, (serieel) op produceren vraag. De techniek is niet beperkt tot SAMs of Molecular Electronics en is een algemene werkwijze voor het bereiden van een spleet tussen twee nanostructuren. In dit document gebruiken we zilver, aluminium en SAMs als offer lagen gaten van verschillende afmetingen tussen goud nanodraden produceren, maar de techniek is niet beperkt tot deze materialen (of metallische nanodraden). De draden zijn pick-and-place en zijn compatibel met magnetische uitlijning, waardoor ze op willekeurige substraten kunnen worden geplaatst. 15 Een ander sterk punt van nanoskiving is dat het biedt controle over alle drie de dimensies. De afmetingen van de monsters wordt bepaald door de topografie van het substraat (X), dedikte van de afgezette film (Y) en de dikte van de plaat door de microtoom (Z). Figuur 1 vat de procedure voor de nanodraden de gedefinieerde afstand produceren. Goud opties (1-2 mm in lengte) worden afgezet door verdamping via een Teflon masker op een silicium substraat. Epofix (Electron Microscopy Sciences) epoxy pre-polymeer wordt uitgegoten over de gehele wafer, die het goud kenmerken, wanneer de epoxy is uitgehard, wordt de epoxy gescheiden van de wafer (dwz via sjabloon stripping), het goud kenmerken blijven gehandeld op grond van de epoxy . Voor metalen offer lagen, wordt aluminium of zilver verdampt met de gewenste dikte door de Teflon masker met een offset van 200 - 500 micrometer over de goud functies. Aan sub-5 nm gaten produceren, is een SAM gevormd door onderdompeling het goud functies in een 1 mM oplossing in ethanol van de juiste dithiol nachts. Een tweede set van goud (of een ander metaal) wordt afgezet door het plaatsen van de Teflon schaduwmasker viaeerste laag van goud kenmerken (bedekt met zilver, aluminium of SAM) met een offset van 200 - 500 urn ten opzichte van de eerste verdamping. Deze offset zal uiteindelijk de langste afmeting van de spleet definiëren en precies kan worden gemeten met een micro-leider voor het verankeren van de gehele structuur in epoxy voor het snijden. Vervolgens wordt de gehele structuur is ingebed in een blok van epoxy die dan klaar kunnen zijn voor het snijden met de microtoom. Het monster arm houdt de bereide regel als diamantmesje stappen voorwaarts in gecontroleerde stappen die de dikte van de platen zal bepalen. Het resulterende deel drijft op het water in de boot.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Voorbereiding van een blok voor Snijden

  1. Behandel een technisch-grade 3 "silicon wafer in een luchtplasma reiniger voor 30 seconden en vervolgens bloot aan (tridecafluor-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) trichloorsilaan damp gedurende een uur. Opmerking: Deze stap is nodig voor het stap 1.4 tot de epoxy voorkomen hechten aan de siliciumwafel.
  2. Deponeren een laagje goud (gewoonlijk 100 nm dik, welke de breedte van de draden definieert) via een Teflon master (de lengte van de verkregen draden definieert, 0.5 mm, 1 mm of 1,5 mm) op het voorbehandelde silicium wafer.
  3. Bedek de hele wafer ~ 8,5 ml Epofix epoxy prepolymeer en uitharden drie uur bij 60 ° C.
  4. Template-strip de goudlaag door voorzichtig afpellen de epoxy uit de wafer zodanig dat het goud blijft verbonden aan de uitgeharde epoxy. Plaats de rand van een scheermes op het grensvlak tussen de siliciumwafel en epoxy en daarna voorzichtig afpellen van de epoxylaagde silicium wafer. Vanwege de slechte hechting van goud aan de gefluoreerde silicium wafer (stap 1.1) het goud kenmerken blijven gehandeld op grond van de epoxy. Opmerking: Wees voorzichtig dat u de silicium wafer te breken, anders zal het silicium deeltjes de diamant mes beschadigd in het snijden stap.
  5. Dezelfde Teflon masker teruggeplaatst via goud kenmerken, maar zijdelings gecompenseerd met ~ 80% van de kortste dimensie van de goud kenmerken en deponeren van een laag van aluminium of zilver door de Teflon meester. De dikte van deze laag de afstand van de nano-opening tussen de gouden draden definiëren. De ondergrens is afhankelijk van het metaal, maar is ~ 5 nm voor aluminium en zilver, waaronder de lagen een discontinuïteit. Opmerking: Deze compensatie zal uiteindelijk de lengte van de overlap te bepalen tussen twee gouden elektroden en je kunt het meten met micro-liniaal .
  6. Voor openingen onder de 5 nm: Dompel de template-gestripte goud op epoxy in een 1 mM oplossing van een alkanedithiolin ethanol (of een oplosmiddel dat niet zwelt de epoxy) overnacht in een gesloten kamer die is gespoeld met stikstof (de spontane vorming van disulfiden beperken). (In dit artikel maken we gebruik van 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol of 1,16-hexadecanedithiol om hiaten van verschillende breedtes minder dan 3 nm produceren.) Verwijder de mal-gestripte gold-on-epoxy substraat van de SAM-vormende oplossing. Spoelen met ethanol en droog het met stikstof vóór het drogen bij 60 gedurende 2 minuten.
  7. Bij gebruik van een SAM, terug te plaatsen teflon masker over epoxy substraat maar zijdelings gecompenseerd met ~ 80% van de kortste dimensie van de goud functies. Bij gebruik van een metaal, het masker al in positie stap 1,5, dus de positie van het masker na de afzetting van het aluminium of zilver niet veranderen.
  8. Stort een tweede laagje goud of andere metalen door het masker. Deze laag zal typisch bestaan ​​uit hetzelfde metaal op de dikte van de eerste (100 nm dikke in dit geval).
  9. Verwijderende Teflon masker, zorg ervoor dat u de kenmerken, wat zal resulteren in gebroken nanodraden krassen.
  10. Opnieuw insluiten het gehele substraat in Epofix pre-polymeer (~ 8,5 ml) en genezen gedurende ten minste drie uur op 60.
  11. Snijd de functies met behulp van zaag een juwelier (in ~ 4 x 10 mm stuks) en leg elk in een aparte goed in een polyethyleen'' doodskist'' microtoom schimmel.
  12. Vul de vorm met Epofix prepolymeer en genezen nacht bij 60 ° C.

2. Snijden

  1. Verwijderen van een blok van het polyethyleen mal en monteer deze in de monsterhouder.
  2. Bevestig de monsterhouder tot de trimmerhulpstuk en monteer deze in de ultramicrotoom.
  3. Schoon een scheermesje met ethanol om smeermiddel en metalen fragmenten te verwijderen en na de rand van het scheermesje onder de stereoscoop van de ultramicrotoom. Eventuele resterende fragmenten zal de diamant mes beschadigen tijdens het snijden. Knip het blok aan de breedte van de diamant mes (we gebruik maken van 2 mm of 4 mm Diatome Ultra 35 °) in een trapeziumvorm (want het is de meest stabiele vorm voor het snijden). Opmerking: sommige ultramicrotomes gebruiken afkortaanslagen dat monteren op de zaagarm, maar we betere resultaten behalen met scheermesjes .
  4. Lijn de rand van een glazen mes evenwijdig aan de onderkant van het gezicht van het blok.
  5. Start pre-snijden met de ultramicrotoom (wij gebruikten een Leica EMUC-6) uitgerust met een glazen mes om een ​​glad oppervlak te definiëren op het gezicht van het blok.
  6. Om een ​​metalen structuur fabriceren, plaatsen van het glas mes met een diamanten mes opnieuw uitrichten en deel het blok hetzij 100 nm op 1 mm / s of 50 nm bij 0,6 mm / sec. Epofix secties zijn stabiel tot ~ 30 nm Opmerking: een eenvoudige controle van de dikte van de secties is hun kleur, die te verwachten als functie van de dikte varieert en hangt niet af van de hars die is gebruikt, beknopte beschikbaar.. 16
  7. Verzamel de epoxy gedeelten met de structuren van het oppervlak van het water in het reservoir van het mes afzonderlijk met een perfecte Loop (Electron Microscopy Sciences) of linten van verschillende onderdelen een Si/SiO2 (voor SEM) en SiO2 (voor elektrische metingen) substraat door het plaatsen van substraat onder de oppervlakte van het water en het verhogen van het langzaam.
  8. Droog de secties 60 ° C gedurende 3 uur voor hechting aan het substraat.
  9. Om de as epoxy, blootstellen van de monsters naar een zuurstofplasma (15 min bij 1 mbar is voldoende om alle sporen van de epoxy van 100 en 50 nm dikke delen verwijderen). Opmerking: Als fabriceren nanostructuren voor elektrische metingen moet deze stap uitgevoerd na stap 4.

3. Etsen uit de opofferingslaag

  1. Voor aluminium: Plaats de gedeelten met aluminium in een 2 M waterige oplossing van HCl gedurende 2 uur. Voor zilver: bloot de secties om zuurstof plasma voor 10. min Opmerking: de materiaalkeuze kan hetzij nat etsen (met HCl) of droog etsen (met zuurstofplasma) echter zilver kan worden verwijderd door nat etsen ook.
  2. Voor SAM: Plasmabehandeling gedeeltelijk etst de SAM, maar we ongelijk zijn gesteld in onze inspanningen om te karakteriseren in welke mate.

4. Elektrische metingen

  1. Plaats epoxy secties op een SiO2 substraat, dat grondig is gereinigd (bijv. met piraña oplossing) en droog ze (stappen 2.7 en 2.8).
  2. Monteer het substraat onder een lichtmicroscoop of stereoscoop aan de microtoom.
  3. Solliciteer druppels zilveren plak (of carbon inkt) op de twee uiteinden van de draden in elke sectie. Deze ingebedde metalen structuren zichtbaar als of zwarte lijn (van het goud / epoxy interface) of wordt, in het geval van dikkere goudstructuren (van de bekledingstrappen), direct toegankelijk. In beide gevallen moet de druppels worden toegepastvoldoende ver van het centrum om het kort de nano-gaten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

We bereidden nanogap structuren door het opnemen van twee metalen opofferende lagen als de spacer: aluminium en zilver. We geëtst deze lagen om leemten van de gewenste dikte te verkrijgen. Zoals beschreven in het protocol na snijden we blootgesteld structuren die zilver aan zuurstofplasma, en die met aluminium waterig HCl. Figuur 2 toont scanning electronenmicroscoop (SEM) van de resulterende nanodraden met nanometerschaal scheiding. In beide gevallen hiaten zijn duidelijk zichtbaar en direct meetbaar....

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In deze paper toonden we de fabricage van nanogap structuren met behulp nanoskiving. Dit experimenteel eenvoudige methode kan de productie van nanostructuren met een snelheid van ongeveer een per seconde, met controle over alle drie de dimensies. Het gat-grootte wordt bepaald door het opnemen van een van beide opofferende lagen aluminium en zilver of zelf-geassembleerde monolagen van dithiolen (met een resolutie zo klein Å biedt). De nanostructuren kunnen worden geplaatst met de hand op een willekeurig substraat en dez...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

Dit werk maakt deel uit van het Joint Solar Programme (JSP) van Hyet Solar en de Stichting Fundamenteel Onderzoek der VOOR Materie FOM, dat deel uitmaakt van de Nederland Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Reagens/Materiaal
Epofix epoxyhars Elektronenmicroscopie1232
Wetenschappen
Goud Schone Edelmetaal B.V
Aluminium Umicore Materials AG
Zilver Umicore Materials AG
(tridecafluoro-1,1,2,2, ABCR GmbH co.KG78560-45-9
-tetrahydrooctyl)
trichlorosilaan
,12-dodecanedithiol HuisgemaaktVolgens: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,14-tetradecanedithiol In huis gesynthetiseerd Volgens: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
,16-hexadecanedithiol In huis gesynthetiseerdVolgens: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
Apparatuur
Thermisch depositiesysteem zelfgebouwd
Ultramicrotoom Leica Microsystems
Dimanod mes ultra 35 DiatomeDU3540
Dimanod mes ultra 45 Scimed GMBH
Scannende elektronenmicroscoop JOEL
Bronmeter Keithley
Tabel 1. Tabellen van specifiek reagens en apparatuur.

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

ChemieMateriaalkundeChemische TechnologieElektrotechnieknatuurkundenanotechnologienano devices elektronischNanoskivingnanogapsnanofabricagemoleculaire elektronicananodradenfabricageetsultramicrotoomscanning elektronen microscopieSEM

Gerelateerde artikelen