Wytwarzanie nanoluk za pomocą Nanoskiving

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie elektrod z nanoprzerwą o wysokim współczynniku proporcji z wykorzystaniem nanoskivingu. Osiąga się to najpierw poprzez naniesienie cienkiej warstwy złota na wafelek krzemowy i przeniesienie jej na podłoże epoksydowe. Drugim krokiem jest utworzenie samoorganizującej się monowarstwy alkanotioli na warstwie metalu.

Następnie nanosi się drugą warstwę złota, która jest przesunięta względem pierwszej. Ostatnim krokiem jest wykonanie cienkich przekrojów struktury za pomocą ultramikrotomu.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak fotografie w skali mikro lub nano, jest możliwość wytworzenia na żądanie tysięcy elektrod z nanoprzerwą o rozdzielczości poniżej mikrometra i ich rozmieszczenia na dowolnym podłożu bez konieczności korzystania z pomieszczeń typu clean room czy konwencjonalnych procesów fotolitograficznych. Kształt i współczynnik proporcji nanoprzerw pozwalają na ich bezpośrednie adresowanie podczas pomiarów bez żadnych pośrednich etapów wytwarzania, takich jak definiowanie ścieżek kontaktowych. Aby rozpocząć wytwarzanie struktury, należy użyć trzymilimetrowego wafla krzemowego klasy technicznej.

Poddaj próbkę działaniu oczyszczacza plazmowego powietrza przez 30 sekund. Następnie poddaj ją działaniu par perfluorowanego sinu przez jedną godzinę; po ekspozycji użyj maski teflonowej dostosowanej do pożądanej długości drutu, aby naparować warstwę złota na wstępnie potraktowany wafelek. Grubość naparowanej warstwy w tym doświadczeniu, wynosząca sto nanometrów, określa szerokość drutu. Po zakończeniu naparowania pokryj cały wafelek około 8,5 mililitrów prepolimeru epoksydowego.

Umieść wafelek i żywicę epoksydową w piekarniku w temperaturze 60 °C na trzy godziny w celu utwardzenia. Po utwardzeniu, gdy próbka osiągnie temperaturę pokojową, wsuń krawędź żyletki w miejsce styku wafla krzemowego i żywicy epoksydowej. Delikatnie odklej warstwę epoksydową od wafla krzemowego w taki sposób, aby złoto pozostało przytwierdzone do żywicy. Należy uważać, aby nie rozbić wafla krzemowego, aby uzyskać szczeliny poniżej 5 nm.

Wybierz odpowiedni alkanodiol dla pożądanej szerokości przerwy. Przygotuj jednomilimolowy roztwór alkanylowy w etanolu. Zanurz złoto na epoksydzie w tym roztworze samoorganizującej się monowarstwy.

Umieść pojemnik w zamkniętej komorze przepłukanej azotem. Pozostaw go na noc. Po upływie co najmniej ośmiu godzin wyjmij pojemnik z zamkniętej komory i usuń złoty podłoże epoksydowe z roztworu samoorganizującej się monowarstwy.

Opłucz go etanolem i osusz azotem. Następnie susz w temperaturze 60 °C przez dwie minuty. Dłuższy czas suszenia może uszkodzić warstwę SAM.

Po wysuszeniu ponownie nałóż maskę teflonową na podłoże epoksydowe z przesunięciem bocznym wynoszącym około 80% krótszego wymiaru makroskopowego złotych struktur i naparuj drugą warstwę złota przez maskę. W tym doświadczeniu grubość drugiej warstwy jest taka sama jak pierwszej i wynosi 100 nanometrów. Po zakończeniu naparowania zdejmij maskę teflonową.

Uważając, aby nie porysować struktur, zanurz cały podłoże w 8,5 mililitrów prepolimeru epoksydowego. Umieść go w piecu w temperaturze 60 stopni Celsjusza w celu utwardzenia przez trzy godziny.

Po utwardzeniu i ochłodzeniu próbki należy użyć piły jubilerskiej, aby wyciąć fragmenty o wymiarach 4 mm na 10 mm. Każdy z nich należy umieścić w oddzielnej studzience polietylenowej formy do mikrotomu (tzw. coffin mold). Następnie formę należy wypełnić prepolimerem epoksydowym.

Na koniec umieść próbkę w piekarniku w temperaturze 60 °C w celu utwardzenia przez noc. Aby wykonać skrawki próbki, wyjmij blok z formy polietylenowej i zamocuj próbkę w uchwycie do próbek. Przymocuj uchwyt do próbek do przystawki do przycinania, a następnie zamontuj go w ultramikrotomie.

Następnie należy oczyścić żyletkę etanolem. Żyletkę należy sprawdzić pod stereomikroskopem, aby upewnić się, że nie ma na niej odłamków metalu. Za pomocą żyletki należy przyciąć bloczek do szerokości noża diamentowego.

W kształcie trapezu wyposaż ultramikrotom w nóż szklany. Nóż powinien być ustawiony równolegle do dolnej krawędzi powierzchni bloku. Rozpocznij wstępne przycinanie, aby uzyskać gładką powierzchnię na górnej ściance bloku.

Po zakończeniu procesu wytwarzania struktury metalicznej należy zastąpić nóż szklany nożem diamentowym. Ponownie ustawić nóż diamentowy tak, aby był równolegle do dolnej powierzchni bloku. W tym filmie blok jest skrawany do grubości 100 nanometrów z prędkością jeden milimetr na sekundę.

Grubość tych przekrojów można zweryfikować, korzystając z kolorowych tablic referencyjnych. Jeśli planowane są pomiary elektryczne, należy umieścić podtkórkę z dwutlenku krzemu pod wodą w zbiorniku noża. Powoli podnoś podtkórkę, aby zebrać z powierzchni wody przekroje epoksydowe zawierające struktury.

Suszyć przekroje w temperaturze 60 °C przez trzy godziny, aby poprawić ich przyleganie do podłoża. Pomiary elektryczne rozpoczyna się od umieszczenia oczyszczonych i wysuszonych przekrojów epoksydowych pod mikroskopem świetlnym; zatopione struktury metaliczne będą widoczne jako czarne linie lub będą widoczne bezpośrednio. W przypadku grubszych struktur złotych kontakty wykonuje się poprzez nałożenie kropel pasty srebrowej na dwa końce przewodów.

W każdej z przedstawionych sekcji znajdują się mikrografie z transmisyjnego elektronowego mikroskopu skaningowego przedstawiające przerwy w trzech różnych strukturach nanoprzestworach, z których każda została przygotowana z użyciem innego alkoholu. Obrazy te wykonano po procesie popielania. Organiczne przerwy uzyskano za pomocą plazmy tlenowej, kolejno od góry do dołu: przy użyciu 1-dodekanolu, 1-tetradekanolu oraz 1-heksadekanolu.

Przerwy są jakościowo większe wraz ze wzrostem długości cząsteczek. Wszystkie przerwy znajdują się poniżej granicy rozdzielczości instrumentu wynoszącej 4 nm. Ilościowe potwierdzenie zwiększania się rozmiaru przerwy widoczne jest na wykresie zależności logarytmu gęstości prądu od napięcia dla każdej z tych struktur, gdzie czarne kwadraty reprezentują dane dla urządzeń z jedną cząsteczką dodekanu.

Czerwone trójkąty reprezentują urządzenia 14 tetra decade HY, a niebieskie okręgi urządzenia 16 HEXA decade AL. Wstawka przedstawia logarytm gęstości prądu przy 500 milliwoltów w funkcji długości cząsteczki AL użytej do stworzenia przerwy. Dobry dopasowanie liniowe potwierdza oczekiwanie wykładniczego spadku prądu wraz ze wzrostem długości cząsteczki, a nachylenie jest zgodne z innymi pomiarami tunelowania przez al Canes.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat wytwarzania elektrod z nano-przerwą o różnych szerokościach szczelin przy użyciu techniki nano skying.