Fabricating Nanogaps genom Nanoskiving
Summary
Tillverkningen av elektriskt adresserbara, high-aspekt-ratio (> 1000:1) är metall nanotrådar separerade med mellanrum av enstaka nanometer använder antingen offerskikt av aluminium och silver eller själv-monoskikt som mallar beskrivits. Dessa nanogap strukturer tillverkas utan ett rent rum eller ett foto-eller elektronstråle litografiska processer genom en form av kant litografi kallas nanoskiving.
Abstract
Det finns flera metoder för att tillverka nanogaps med kontrollerade avstånd, men exakt kontroll över sub-nanometers avstånd mellan två elektroder-och generera dem i praktiska mängder-är fortfarande utmanande. Framställningen av nanogap elektroder med nanoskiving, vilket är en form av kant litografi, är en snabb, enkel och kraftfull teknik. Denna metod är en helt mekanisk process som inte omfattar någon bild-eller elektronstrålebehandlade steg litografiska och inte kräver någon särskild utrustning eller infrastruktur såsom renrum. Nanoskiving används för att tillverka elektriskt adresserbara nanogaps med kontroll över alla tre dimensioner, den minsta dimensionen av dessa strukturer definieras av tjockleken på offerskiktet (Al eller Ag) eller själv-monoskikt. Dessa trådar kan positioneras manuellt genom att transportera dem på vattendroppar och är direkt elektriskt adresserbara, ingen ytterligare litografi krävs för att ansluta dem till enelektrometer.
Introduction
Detta dokument beskriver framställningen av elektriskt adresserbara, hög-bildförhållande nanotrådar av guld separerade med mellanrum av enstaka nanometer utnyttjar vakuum-avsatt aluminium och silver som ett offer avståndsskikten för luckor> 5 nm och själv-monoskikt (SAM) av alkanedithiols för luckor så små som 1,7 nm. Vi fabricerade dessa nanostrukturer utan ett renrum eller några fotolitografiska processer genom sektionering sandwichstrukturer av guld åtskilda av en sacrificial spacer med användning av en ultramikrotom, en form av kant litografi kallas nanoskiving. 1-3 Denna metod är en kombination av avsättning av tunn metall filmer och sektionering med en ultramicrotome. Den huvudsakliga steg i nanoskiving är skivning tunna sektioner med en ultramikrotom utrustad med diamant kniv som är fäst vid en båt full av vatten för att producera plattor som är så tunna som ~ 30 nm. Ultramicrotomes används i stor utsträckning för framställning av tunna prover för avbildning med optisk eller väljaron mikroskopi och många av de mest erfarenhet utövare av ultramicrotomy kommer från en biologisk eller medicinsk bakgrund. Det finns flera metoder för att tillverka nanogaps inklusive mekaniska paus korsningar, 4 elektron-stråle litografi 5, elektrokemisk plätering, 6, 7 elektromigration, 8 fokuserad jonstråle litografi, 9 skugga avdunstning, 10 scanning probe och atomkraftmikroskopi, 11 på-wire litografi , 12 och molekylär härskare. 13 Alla dessa metoder har sina egna egenskaper och användningsområden men producera och hantera nanogaps både användbara siffror och med exakt kontroll över de dimensioner gapet är fortfarande en utmaning. Utöver dessa metoder har höga driftskostnader, de är begränsade till klass av material som kan överleva de etsningsprocesser, och är begränsade i upplösning. Nanoskiving möjliggör snabb tillverkning av elektriskt adresserbara nanotrådar med spacings av enstaka nanometer på bordsskop. Vi är intresserade av snabba prototyper av nanostrukturer för Molekylär elektronik, för vilka nano-fabricerade elektroderna inte kräver specialiserade eller tidskrävande tekniker, 14 när ett block är gjord, kan den producera hundratusentals nanostrukturer, (serie) på efterfrågan. Emellertid är tekniken inte begränsat till SAM eller molekylär elektronik och är en generell metod för framställning av en spalt mellan två nanostrukturer. I detta papper vi använder silver, aluminium, och SAM som offerskikt att orsaka mellanrum i olika storlekar mellan guld nanotrådar, men tekniken är inte begränsad till dessa material (eller på metalliska nanotrådar). Trådarna är pick-and-place och är kompatibla med magnetisk inriktning, så de kan placeras på godtyckliga substrat. 15 En annan styrka nanoskiving är att det ger kontroll över alla tre dimensionerna. Dimensionerna hos proven bestäms av topografin av substratet (X), varvidtjockleken hos den avsatta filmen (Y) och tjockleken av plattan som produceras av ultramicrotome (Z). Figur 1 sammanfattar det förfarande som användes för framställning av nanotrådar med definierade avstånd. Guld egenskaper (1-2 mm i längd) avsattes genom förångning genom en Teflon mask på ett kiselsubstrat. EPOFIX (elektronmikroskopi Sciences) epoxy pre-polymer hälls över hela skivan, täcker guld funktioner, då epoxi härdas, är epoxi separeras från skivan (dvs. via mall stripping), guld funktioner förblir vidhäftade till epoxi . För metalliska offerskikt, är aluminium eller silver förångas med önskad tjocklek genom Teflon masken med en förskjutning på 200 – 500 um över guld funktioner. För att producera sub-5 nm luckor, är en SAM bildas genom att sänka ned de guld-funktioner i en 1 mM etanolisk lösning av den lämpliga ditiol över natten. En andra uppsättning av guld (eller annan metall) deponeras genom att placera teflon skuggmasken överförsta skikt av guld egenskaper (täckt av silver, aluminium eller en SAM) med en förskjutning av 200 till 500 ^ m med avseende på den första avdunstning. Denna förskjutning kommer så småningom att definiera den längsta dimensionen av gapet, och den kan mätas noggrant med användning av en mikro-linjal före inbäddning hela strukturen i epoxi för sektionering. Då hela strukturen är inbäddad i ett block av epoxi som sedan skulle vara redo för sektionering med ultramicrotome. Provet armen håller förberedda blocket som diamantkniv framsteg mot det i kontrollerade steg som kommer att definiera tjockleken på skivorna. Den resulterande sektionen flyter på vattnet i båten.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie har vi visat att tillverkningen av nanogap strukturer med hjälp nanoskiving. Detta experimentellt enkel metod möjliggör produktion av nanostrukturer i en takt av ungefär en per sekund, med kontroll över alla tre dimensionerna. Gapet storlek definieras genom att införliva antingen offerskikt av aluminium och silver eller egenföretagare monoskikt av ditioler (vilket ger en upplösning så liten som en). De nanostrukturer kan placeras för hand på vilket godtyckligt substrat och de är direkt elektri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete är en del av den gemensamma Solar programmet (JSP) i Hyet Solar och Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie FOM, som är en del av Nederländerna Organisationen för vetenskaplig 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).
