Fabriceren Nanogaps door Nanoskiving
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
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).
