Summary
Fremstilling af elektrisk adresseres, high-aspekt-ratio (> 1000:1) metal nanotråde adskilt af huller af enlige nanometer enten ved hjælp offerlagene af aluminium og sølv eller selvstændige samlet monolag som skabeloner er beskrevet. Disse nanogap strukturer er fremstillet uden et rent rum eller nogen foto-eller elektron-beam litografiske processer med en form for kant litografi kaldet nanoskiving.
Abstract
Der findes flere metoder til opdigte nanogaps med styrede afstande, men den præcise kontrol over sub-nanometer afstand mellem to elektroder-og genererer dem i praktiske mængder-er stadig udfordrende. Fremstillingen af nanogap elektroder anvender nanoskiving, hvilket er en form for kant litografi, er en hurtig, enkel og kraftfuld teknik. Denne metode er en helt mekanisk proces, der ikke omfatter nogen foto-eller electron-beam litografiske trin og kræver ikke noget særligt udstyr eller infrastruktur såsom rene værelser. Nanoskiving bruges til at fremstille elektrisk adresserbare nanogaps med kontrol over alle tre dimensioner, den mindste dimension af disse strukturer er defineret ved tykkelsen af offerlaget (Al eller Ag) eller selv-samlet monolag. Disse ledninger kan placeres manuelt ved at transportere dem på dråber vand og er direkte elektrisk adresserbare, ingen yderligere litografi er forpligtet til at forbinde dem til enelectrometer.
Introduction
Dette papir beskriver fremstilling af elektrisk adresserbare høj aspekt-forhold nanotråde af guld adskilt af huller af enlige nanometer anvender vakuum-deponerede aluminium og sølv som en opofrende spacer lag til huller> 5 nm og selvstændige samlet monolag (SAM) i alkanedithiols for huller så små som 1,7 nm. Vi fabrikeret disse nanostrukturer uden et rent rum eller eventuelle fotolitografiske processer ved sektionering sandwichkonstruktioner af guld adskilt af en opofrende spacer ved hjælp af en ultramikrotom, en form for kant litografi kendt som nanoskiving. 1-3 Denne metode er en kombination af aflejring af tynde metal film og sektionering ved hjælp af en ultramikrotom. Det vigtigste trin i nanoskiving er udskæring tynde sektioner med en ultramikrotom udstyret med diamantkniv som er fastgjort til en båd fuld af vand til fremstilling af stålplader, der er så tynd som ~ 30 nm. Ultramicrotomes anvendes i udstrakt grad til fremstilling af tynde prøver til billeddannelse med optisk eller vælgerron mikroskopi og mange af de største erfaring udøvere af ultramicrotomy kommer fra en biologisk eller medicinsk baggrund. Der findes flere metoder til opdigte nanogaps herunder mekaniske break vejkryds, 4 elektron-beam litografi 5, elektrokemisk plating, 6, 7 electromigration, 8 fokuseret ion beam litografi, 9 shadow fordampning, 10 scanning probe og atomic force mikroskopi, 11 on-wire litografi , 12 og molekylære herskere. 13 All af disse metoder har deres egne kendetegn og applikationer, men producerer og adressering nanogaps både nyttige numre og præcis kontrol over dimensionerne af gabet fortsat en udfordring. Desuden har disse metoder har høje driftsomkostninger, de er begrænset til den klasse af materialer, der kan overleve ætsning processer og er begrænset i opløsning. Nanoskiving muliggøres hurtig fremstilling af elektrisk adresserbare nanotråde med spacings af enlige nanometer på bænken-top. Vi er interesseret i en hurtig prototyping af nanostrukturer for Molecular Electronics, for hvilke nano-fabrikerede elektroder ikke kræver specialiserede eller tidskrævende teknik, 14 når en blok er foretaget, kan det producere hundredtusindvis af nanostrukturer, (serielt) på efterspørgsel. Men teknikken er ikke begrænset til SAM eller molekylær elektronik og er en generel fremgangsmåde til fremstilling af et mellemrum mellem to nanostrukturer. I dette papir vi bruger sølv, aluminium og SAM'er som offerlagene at producere huller af forskellige størrelser mellem guld nanotråde, men teknikken er ikke begrænset til disse materialer (eller metalliske nanotråde). Ledningerne er pick-and-place og er kompatible med magnetisk justering, således de kan placeres på vilkårlige substrater. 15. En anden styrke ved nanoskiving er, at det giver kontrol over alle tre dimensioner. Dimensionerne af prøverne bestemmes af topografien af substrat (X), harTykkelsen af den afsatte film (Y), og tykkelsen af pladen produceret af ultramikrotom (Z). Figur 1 opsummerer den procedure, der anvendes til at fremstille nanotråde med den definerede afstand. Guld features (1-2 mm i længde) er deponeret ved fordampning gennem en Teflon maske på en silicium substrat. Epofix (Electron Microscopy Sciences) epoxy pre-polymer hældes over hele wafer, dækker guld funktioner, når epoxyen er hærdet, epoxy adskilt fra skiven (dvs. via skabelon stripning), guld funktioner forbliver klæbet til epoxy . For metalliske offerlagene er aluminium eller sølv fordampet med den ønskede tykkelse gennem Teflon maske med en forskydning på 200 til 500 um over guld funktioner. At producere sub-5 nm huller, er et SAM dannet ved nedsænkning guld funktioner i en 1 mM ethanolisk opløsning af den passende dithiol natten. Et andet sæt af guld (eller et andet metal) deponeres ved at placere Teflon skyggemaske overførste lag af guld features (dækket i sølv, aluminium eller et SAM) med en forskydning på 200 til 500 um i forhold til den første inddampning. Denne forskydning i sidste ende vil definere den længste dimension af kløften, og det kan måles nøjagtigt ved hjælp af en mikro-lineal, før indlejring hele strukturen i epoxy for sektionering. Så hele strukturen er indlejret i en blok af epoxy som derefter kunne være klar til sektionering med ultramikrotom. Prøven arm holder den forberedte blok som diamant kniv fremskridt i retning af det i kontrollerede skridt, der vil definere tykkelsen af pladerne. Den resulterende sektion flyder på vandet i båden.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette papir, vi demonstreret fremstilling af nanogap strukturer ved hjælp nanoskiving. Dette eksperimentelt simple metode muliggør produktion af nanostrukturer med en hastighed på omkring en per sekund, med kontrol over alle tre dimensioner. Kløften størrelse er defineret ved at inkorporere enten offerlagene af aluminium og sølv eller selvstændige samlet monolag af dithioler (hvilket giver en opløsning så lille som Å). Nanostrukturer kan placeres i hånden på enhver vilkårlig substrat og de er direkte elek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er en del af det fælles Solar Programme (JSP) i Hyet Solar og Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie FOM, som er en del af det nederlandske Organisation for Videnskabelig Forskning (NWO).
Materials
| Reagent/Material | |||
| Epofix epoxy resin | Electron Microscopy | 1232 | |
| Sciences | |||
| Gold | Schone Edelmetaal B.V | ||
| Aluminum | Umicore Materials AG | ||
| Silver | Umicore Materials AG | ||
| (tridecafluoro-1,1,2,2, | ABCR GmbH co.KG | 78560-45-9 | |
| -tetrahydrooctyl) | |||
| trichlorosilane | |||
| ,12-dodecanedithiol | Home-synthesised | According to: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006) | |
| ,14-tetradecanedithiol | synthesized in house | According to: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006) | |
| ,16-hexadecanedithiol | synthesized in house | According to: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006) | |
| Equipment | |||
| Thermal deposition system | home-built | ||
| Ultramicrotome | Leica Microsystems | ||
| Dimanod knife ultra 35 | Diatome | DU3540 | |
| Dimanod knife ultra 45 | Scimed GMBH | ||
| Scanning electron microscope | JOEL | ||
| Source meter | Keithley | ||
| Table 1. Tables of Specific Reagents and Equipment. |
References
- 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).
- 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).
- Xu, Q., Rioux, R. M., Whitesides, G. M. Fabrication of complex metallic nanostructures by nanoskiving. ACS Nano. 1 (3), 215-227 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Qin, L., Park, S., Huang, L., Mirkin, C. A. On-wire lithography. Science. 309 (5731), 113-115 (2005).
- Hatzor, A., Weiss, P. S. Molecular rulers for scaling down nanostructures. Science. 291 (5506), 1019-1020 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
