Confecção Nanogaps por Nanoskiving

O objetivo geral deste procedimento é fabricar eletrodos de alta razão de aspecto com nanoespaços utilizando o desbaste nanométrico. Isso é realizado primeiramente depositando uma fina camada de ouro sobre uma pastilha de silício e transferindo-a para um substrato de epóxi. O segundo passo consiste em formar uma camada auto-organizada de alcano tióis sobre a película metálica.

Em seguida, deposita-se uma segunda camada de ouro, deslocada em relação à primeira. O passo final consiste em seccionar fatias finas da estrutura com um ultramicrótomo.

A principal vantagem desta técnica em relação a métodos existentes, como fotografia ou microfotografia, é que milhares de eletrodos com nanoespaços podem ser fabricados sob demanda com resolução submicrométrica e posicionados sobre qualquer substrato arbitrário, sem a necessidade de sala limpa ou de quaisquer processos fotolitográficos convencionais. O formato e a razão de aspecto dos nanoespaços permitem que sejam diretamente endereçados em um teste, sem etapas intermediárias de fabricação, como a definição de caminhos de contato. Para iniciar a fabricação de uma estrutura, comece com uma pastilha de silício de grau técnico de três polegadas.

Trate-o em um limpador de plasma de ar por 30 segundos. Em seguida, exponha-o ao vapor de silano perfluoretado por uma hora; após a exposição, utilize uma máscara de teflon apropriada ao comprimento desejado do fio para evaporar uma camada de ouro sobre a pastilha pré-tratada. A espessura da camada evaporada, de cem nanômetros neste experimento, define a largura do fio; após a conclusão da evaporação, cubra toda a pastilha com aproximadamente 8,5 mililitros de pré-polímero de epóxi.

Coloque a pastilha e a resina epóxi em um forno a 60 graus Celsius para curar por três horas; após a cura, e com a amostra em temperatura ambiente, insira a borda de uma lâmina de barbear na interface entre a pastilha de silício e a resina epóxi. Remova cuidadosamente a camada de epóxi da pastilha de silício, de modo que o ouro permaneça aderido ao epóxi. Tenha cuidado para não quebrar a pastilha de silício, a fim de obter lacunas abaixo de cinco nanômetros.

Escolha um diol Alcan apropriado para a largura de lacuna desejada. Prepare uma solução de um milimolar de Alcan YL em etanol. Mergulhe o ouro sobre epóxi nesta solução de camada auto-organizável.

Coloque o recipiente em uma câmara fechada que foi purgada com nitrogênio. Deixe repousar durante a noite. Após pelo menos oito horas, retire o recipiente da câmara fechada e remova o substrato de epóxi dourado da solução da monocamada auto-organizável.

Lave com etanol e seque com nitrogênio. Em seguida, seque a 60 graus Celsius por dois minutos. Tempos de secagem mais longos podem danificar a camada de Sam.

Após a secagem, coloque novamente a máscara de teflon sobre o substrato epóxi com um deslocamento lateral de cerca de 80% da dimensão macroscópica menor das estruturas de ouro e evapore uma segunda camada de ouro através da máscara neste experimento. A espessura da segunda camada é igual à da primeira camada, 100 nanômetros. Após a conclusão da evaporação, remova a máscara de teflon.

Tendo cuidado para não arranhar as estruturas. Cubra todo o substrato com 8,5 mililitros de pré-polímero epóxi. Coloque-o em uma estufa a 60 graus Celsius para curar por três horas.

Após a cura e resfriamento da amostra, utilize uma serra de ourives para recortar as estruturas em peças de quatro milímetros por 10 milímetros. Coloque cada uma em um poço separado de uma matriz de micrótomo de polietileno. Em seguida, preencha a matriz com pré-polímero de epóxi.

Por fim, coloque-o em uma estufa a 60 graus Celsius para curar durante a noite. Para seccionar uma amostra, remova um bloco do suporte de molde de polietileno e monte a amostra no porta-amostras. Fixe o porta-amostras ao acessório de corte e monte-o no ultramicrótomo.

Em seguida, limpe uma lâmina de barbear com etanol. Inspecione a lâmina sob um estereoscópio para garantir que não haja fragmentos metálicos presentes. Use a lâmina para aparar o bloco até a largura da faca de diamante.

Em formato de trapézio, equipar o ultramicrótomo com uma lâmina de vidro. A lâmina deve ser alinhada paralelamente à borda inferior da face do bloco. Iniciar o pré-corte para definir uma superfície lisa na face superior do bloco.

Após concluir a fabricação de uma estrutura metálica, substitua a lâmina de vidro por uma lâmina de diamante. Alinhe novamente a lâmina de diamante de modo que fique paralela à face inferior do bloco. Neste vídeo, o bloco é seccionado em 100 nanômetros a uma velocidade de um milímetro por segundo.

A espessura dessas seções pode ser verificada utilizando tabelas de referência de cores. Se forem realizadas medições elétricas, coloque um substrato de dióxido de silício sob a água no reservatório da lâmina. Levante o substrato lentamente para coletar as seções de epóxi contendo as estruturas da superfície da água.

Seque as seções a 60 graus Celsius por três horas para melhorar sua adesão ao substrato. As medições elétricas começam com a montagem das seções de epóxi limpas e secas sob um microscópio óptico, sendo as estruturas metálicas embutidas visíveis como uma linha preta ou diretamente visíveis. No caso das estruturas de ouro mais espessas, os contatos são feitos aplicando gotas de pasta de prata nas duas extremidades dos fios.

Em cada seção mostrada aqui, há micrografias eletrônicas de varredura das lacunas de três estruturas diferentes de nanoespaços, cada uma preparada com um OL distinto. Essas imagens foram obtidas após a etapa de remoção por plasma. Os compostos orgânicos removidos com plasma de oxigênio, de cima para baixo, são as lacunas produzidas utilizando um OL de DODECANO de 12 carbonos, um OL de TETRADODECANO de 14 carbonos e um OL de HEXADECANO de 16 carbonos, respectivamente.

As lacunas são qualitativamente maiores à medida que aumenta o comprimento das moléculas. Todas as lacunas estão abaixo do limite de resolução de quatro nanômetros do instrumento. O suporte quantitativo para o aumento do tamanho das lacunas é observado na medida de densidade de corrente logarítmica versus tensão para cada uma das estruturas neste gráfico, em que os quadrados pretos representam os dados dos dispositivos de 12 do DECANE HY.

Os triângulos vermelhos são para os dispositivos HY de uma década tetra 14, e os círculos azuis são para os dispositivos AL de uma década HEXA 16. O gráfico interno mostra o logaritmo da densidade de corrente em 500 milivolts em função do comprimento da molécula de AL usada para criar a lacuna. O bom ajuste linear apoia a expectativa de uma diminuição exponencial da corrente com o aumento do comprimento molecular, e a inclinação é compatível com outras medidas de tunelamento através de alcanos.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como fabricar eletrodos com nanoespaços de diferentes tamanhos utilizando a técnica de nano skying.