Fabriceren Nanogaps door Nanoskiving

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen van elektroden met een hoge aspectratio en een nanokloof middels nanoskiving. Dit wordt bereikt door eerst een dunne goudfilm op een siliciumwafer af te zetten en deze over te brengen naar een epoxy-substraat. De tweede stap is het vormen van een zelfgeassembleerde monolaag van alkanthiolen op de metaalfilm.

Vervolgens wordt een tweede goudfilm afgezet. Deze is verschoven ten opzichte van de eerste. De laatste stap is het snijden van dunne plakjes van de structuur met een ultramicrotoom.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals foto- of millifotografie is dat duizenden nanokloof-elektroden met submeterresolutie op aanvraag kunnen worden gefabriceerd en op elk willekeurig substraat kunnen worden geplaatst zonder gebruik te maken van een cleanroom of conventionele fotolithografische processen. De vorm en aspectratio van de nanokloven maken het mogelijk om ze direct in een probe-opstelling aan te sturen zonder tussenliggende fabricagestappen, zoals het definiëren van contactpaden. Begin de fabricage van een structuur met een siliconenwafer van drie inch van technische kwaliteit.

Behandel het gedurende 30 seconden in een luchtplasmareiniger. Stel het vervolgens gedurende één uur bloot aan pergefluoreerde sine-damp; gebruik na de blootstelling een Teflon-masker dat geschikt is voor de gewenste draadlengte om een laag goud op de voorbehandelde wafer te verdampen. De dikte van de verdampt laag, in dit experiment honderd nanometers, bepaalt de breedte van de draad. Wanneer de verdamping is voltooid, wordt de gehele wafer bedekt met ongeveer 8,5 milliliter epoxy-prepolymeer.

Plaats de wafer en de epoxy in een oven bij 60 °C om drie uur lang te uitharden. Nadat de uitharding is voltooid en het monster op kamertemperatuur is, wordt de rand van een scheermesje in de interface tussen de siliciumwafer en de epoxy gestoken. Pel de epoxylaag voorzichtig van de siliciumwafer, zodat het goud aan de epoxy bevestigd blijft. Wees voorzichtig om de siliciumwafer niet te breken om gaps van minder dan vijf nanometer te bereiken.

Kies een geschikt alkandiol voor de gewenste spleetbreedte. Bereid een een millimolaire oplossing van het alkandiol in ethanol. Dompel het goud op epoxy onder in deze oplossing voor zelf-organiserende monolagen.

Plaats de houder in een gesloten kamer die is gespoeld met stikstof. Laat dit een nacht rusten. Haal de houder na minimaal acht uur uit de gesloten kamer en verwijder het gouden epoxy-substraat uit de oplossing van de zelf-assemblerende monolaag.

Spoel het product af met ethanol en droog het met stikstof. Droog het vervolgens twee minuten bij 60 °C. Langere droogtijden kunnen de Sam-laag beschadigen.

Plaats na het drogen het Teflon-masker terug op het epoxy-substraat met een laterale verschuiving van ongeveer 80% van de kortere macroscopische dimensie van de gouden structuren; damp in dit experiment een tweede laag goud door het masker op. De dikte van de tweede laag is gelijk aan die van de eerste laag, 100 nanometers. Verwijder het Teflon-masker zodra de dampafzetting voltooid is.

Zorg ervoor dat de kenmerken niet worden bekrasd. Dompel het gehele substraat onder in 8,5 milliliters epoxy-prepolymeer. Plaats het gedurende drie uur in een oven van 60 degree Celsius om het te uitharden.

Zodra het monster is uitgehard en afgekoeld, gebruikt u een juwelierszaag om de kenmerken in stukjes van vier millimeter bij 10 millimeter uit te snijden. Plaats elk stuk in een apart vakje van een polyethyleen coffin-microtoommal. Vul de mal vervolgens met epoxy-prepolymeer.

Plaats het tot slot in een oven van 60 °C om het gedurende de nacht te laten uitharden. Om een monster te coupesnijden, haalt u een blok uit de polyethyleenmal en monteert u het monster in de monsterhouder. Bevestig de monsterhouder aan het trim-accessoire en monteer deze in de ultramicrotoom.

Reinig vervolgens een scheermesje met ethanol. Inspecteer het mesje onder een stereoscoop om er zeker van te zijn dat er geen metaalfragmenten aanwezig zijn. Gebruik het scheermesje om het blok bij te snijden tot de breedte van het diamantmes.

Rust de ultramicrotoom uit met een glazen mes in een trapeziumvorm. Het mes moet parallel worden uitgelijnd met de onderste rand van het blokoppervlak. Begin met voorsnijden om een glad oppervlak op de bovenkant van het blok te creëren.

Nadat de metallische structuur is gefabriceerd, wordt het glasmes vervangen door een diamantmes. Lijn het diamantmes opnieuw uit zodat het parallel loopt aan het onderste vlak van het blok. In deze video wordt het blok gesneden in secties van 100 nanometer met een snelheid van één millimeter per seconde.

De dikte van deze coupes kan worden geverifieerd met behulp van kleurreferentietabellen. Als er elektrische metingen moeten worden verricht, plaats dan een substraat van siliciumdioxide onder het water in het messenreservoir. Til het substraat langzaam op om de epoxycoupes die de structuren bevatten van het wateroppervlak te verzamelen.

Droog de secties drie uur lang bij 60 graden Celsius om de hechting aan het substraat te verbeteren. De elektrische metingen beginnen met het monteren van de gereinigde en gedroogde epoxysecties onder een lichtmicroscoop, waarbij de ingebedde metallische structuren zichtbaar zullen zijn als een zwarte lijn of direct zichtbaar. In het geval van de dikkere goudstructuren worden contacten gemaakt door druppels zilverpasta aan te brengen op de twee uiteinden van de draden.

In elke hier getoonde sectie staan scanning-elektronenmicrografieën van de openingen van drie verschillende nanokloofstructuren, elk geprepareerd met een andere alcohol. Deze afbeeldingen zijn gemaakt na het verwijderen van organische resten met zuurstofplasma. De openingen, van boven naar beneden, zijn respectievelijk geproduceerd met 1-dodecanol, 1-tetradecanol en 1-hexadecanol.

De openingen zijn kwalitatief groter naarmate de lengte van de moleculen toeneemt. Alle openingen liggen onder de resolutielimiet van vier nanometer van het instrument. Kwantitatieve ondersteuning voor de toenemende openingsgrootte is te zien in de meting van de logaritmische stroomdichtheid tegenover de spanning voor elk van de structuren in deze plot; de zwarte vierkantjes vertegenwoordigen de gegevens voor de één 12 do DECANE HY-apparaten.

De rode driehoeken zijn voor de 14 tetra deca HY-apparaten en de blauwe cirkels zijn voor de 16 HEXA deca AL-apparaten. De inzet toont de logaritme van de stroomdichtheid bij 500 millivolt tegenover de lengte van het AL-molecuul dat is gebruikt om de gap te creëren. De goede lineaire fit ondersteunt de verwachting van een exponentiële afname van de stroom bij een toename van de moleculaire lengte, en de helling is overeenkomstig met andere metingen van tunneling door al Canes.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe nano gap-elektroden met verschillende spleetbreedtes kunnen worden vervaardigd met behulp van nano skying.