JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تلفيق عنونة كهربائيا، التي تبلغ نسبة أبعادها عالية (> 1000:1) يوصف أسلاك معدنية مفصولة الثغرات من نانومتر واحد باستخدام إما فداء طبقات من الألومنيوم والفضة أو المجمعة monolayers النفس كقوالب. هي ملفقة هذه الهياكل nanogap دون غرفة نظيفة أو أي عمليات الطباعة الحجرية الصور أو شعاع الإلكترون بواسطة شكل من أشكال حافة الطباعة الحجرية المعروفة باسم nanoskiving.

Abstract

هناك عدة طرق لافتعال nanogaps مع المباعدة التي تسيطر عليها، ولكن مراقبة دقيقة على مدى التباعد نانومتر الفرعية بين قطبين وتوليد لهم في العملية كميات-لا يزال تحديا. إعداد الأقطاب nanogap باستخدام nanoskiving، الذي هو شكل من أشكال حافة الطباعة الحجرية، هو، تقنية بسيطة وقوية بسرعة. هذا الأسلوب هو عملية ميكانيكية تماما الذي لا يتضمن أي صور أو خطوات الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون و لا يتطلب أي معدات خاصة أو البنية التحتية مثل غرف نظيفة. يستخدم Nanoskiving الى افتعال nanogaps عنونة كهربائيا مع التحكم في جميع الأبعاد الثلاثة؛ يتم تعريف أصغر البعد من هذه الهياكل من قبل سماكة طبقة الذبيحه (القاعدة أو حج) أو المجمعة monolayers النفس. هذه الأسلاك يمكن وضعه يدويا عن طريق نقلهم على قطرات من الماء ومباشرة كهربائيا عنونة؛ لا يلزم الطباعة الحجرية أخرى لربطها إلىالمكهار.

Introduction

تصف هذه الورقة تلفيق عنونة كهربائيا، أسلاك التي تبلغ نسبة أبعادها عالية من الذهب مفصولة الثغرات من نانومتر واحد باستخدام فراغ المودعة الألومنيوم والفضة باعتبارها طبقات التبادل فداء للفجوات> 5 نانومتر، والمجمعة monolayers النفس (صواريخ سام) من alkanedithiols لفجوات صغيرة مثل 1.7 نانومتر. نحن ملفقة هذه النانو دون غرفة نظيفة أو أي عمليات الفوتوليتوغرافية من قبل باجتزاء الهياكل شطيرة من الذهب مفصولة فاصل الأضاحي باستخدام مشراح مستدق، وهو شكل من حافة الطباعة الحجرية المعروفة باسم nanoskiving. 1-3 هذا الأسلوب هو مزيج من ترسب معدنية رقيقة الأفلام وباجتزاء باستخدام مشراح مستدق. الخطوة الرئيسية في nanoskiving يتم تقطيع الشرائح الرقيقة مع مشراح مستدق مجهزة سكين الماس التي يتم تركيبها على قارب الكامل من المياه لإنتاج ألواح التي هي رقيقة مثل ~ 30 نانومتر. وتستخدم على نطاق واسع Ultramicrotomes لإعداد العينات رقيقة للتصوير مع البصرية أو انتخابرون المجهري والعديد من أكثر الممارسين تجربة ultramicrotomy تأتي من خلفية البيولوجية أو الطبية. هناك عدة طرق لnanogaps افتعال بما في ذلك الوصلات الميكانيكية انقطاع، 4 شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية 5، كهروكيميائية تصفيح، 6، 7 electromigration، 8 تركيزا أيون الطباعة الحجرية شعاع، 9 تبخر الظل، 10 مسبار المسح الضوئي ومجهر القوة الذرية، 11 الطباعة الحجرية على الأسلاك ، الحكام 12 والجزيئية. 13 كل هذه الأساليب لها سماتها الخاصة والتطبيقات ولكن إنتاج ومعالجة nanogaps سواء من حيث الأرقام مفيدة ومع مراقبة دقيقة على مدى أبعاد الفجوة لا تزال تشكل تحديا. وبالإضافة إلى ذلك هذه الأساليب لديهم ارتفاع تكاليف التشغيل، فإنها تقتصر على فئة من المواد التي يمكن أن تنجو من عمليات الحفر، وتقتصر في القرار. Nanoskiving تمكن تلفيق السريع للأسلاك كهربائيا عنونة مع spacinGS من نانومتر واحد على مقعد بين كبار. ونحن مهتمون في النماذج الأولية السريعة من النانو للإلكترونيات الجزيئية، التي الأقطاب نانو ملفقة لا تتطلب تقنيات متخصصة أو تستغرق وقتا طويلا؛ 14 مرة يتم كتلة، يمكن أن تنتج مئات الآلاف من النانو، (متسلسل) على الطلب. ومع ذلك، فإن التقنية ليست محدودة لصواريخ سام أو الإلكترونيات الجزيئية، وهي طريقة عامة لإعداد وجود فجوة بين اثنين النانو. في هذه الورقة التي نستخدمها الفضة والألومنيوم، وصواريخ سام على هيئة طبقات فداء لإنتاج الثغرات من مختلف الأحجام بين أسلاك الذهب، ولكن هذه التقنية لا تقتصر على هذه المواد (أو أسلاك معدنية). الأسلاك هي انتقاء ومكان ومتوافقة مع محاذاة المغناطيسي، وبالتالي فإنها يمكن وضعها على ركائز التعسفي. 15 قوة أخرى من nanoskiving هو أنه يتيح السيطرة على جميع الأبعاد الثلاثة. ويتم تحديد أبعاد العينات عن طريق تضاريس الركيزة (X)، فيسمك الفيلم المودعة (Y) وسمك البلاطة التي تنتجها مشراح مستدق (Z). الشكل 1 يلخص الإجراءات المستخدمة لإنتاج أسلاك مع تباعد محددة. تودع ميزات الذهب (1-2 ملم في الطول) عن طريق التبخر من خلال قناع تفلون على ركيزة السيليكون. Epofix (الميكروسكوب الإلكتروني العلوم) يسكب الايبوكسي قبل البوليمر على الرقاقة بأكملها، التي تغطي المزايا والذهب، وعندما يتم الشفاء من الايبوكسي، ويتم فصل الايبوكسي من رقاقة (أي عن طريق قالب التجريد)؛ تبقى ملامح الذهب انضمت إلى الايبوكسي . لطبقات فداء لامع، يبخر الألومنيوم أو الفضة مع سمك المطلوب من خلال قناع تفلون مع إزاحة 200-500 ميكرون على ميزات الذهب. لإنتاج الفرعي 5 ثغرات نانومتر، يتم تشكيل SAM بواسطة غمر ملامح الذهب في محلول 1 ملم الايثانول من ثنائي الثيول المناسبة بين عشية وضحاها. وتودع وهناك مجموعة ثانية من الذهب (أو أي معدن آخر) عن طريق وضع قناع الظل تفلون علىالطبقة الأولى من الميزات الذهب (المشمولة في الفضة والألومنيوم أو SAM) مع إزاحة 200-500 ميكرون فيما يتعلق تبخر أولا. وهذه الإزاحة تحدد في نهاية المطاف أطول البعد من هذه الفجوة، ويمكن قياسها بدقة باستخدام الصغرى الحاكم قبل تضمين الهيكل بأكمله في الايبوكسي لباجتزاء. ثم تم تضمين الهيكل كله في كتلة من الايبوكسي الذي ثم يمكن أن تكون جاهزة للباجتزاء مع مشراح مستدق. الذراع عينة يحمل كتلة المعدة مع تقدم سكين الماس تجاهها في خطوات للرقابة والتي سوف تحدد سماكة ألواح. يعوم الجزء الناجمة عن المياه في قارب.

Protocol

1. إعداد بلوك لباجتزاء

  1. علاج من الدرجة التقنية 3 "رقاقة السيليكون في البلازما الهواء النظيف لمدة 30 ثانية ثم تعريضها ل(tridecafluoro-1، 1،2،2،-tetrahydrooctyl) بخار trichlorosilane لمدة ساعة ملاحظة: هذه الخطوة غير ضرورية قبل الخطوة 1.4 لمنع الايبوكسي من الانضمام إلى رقاقة السيليكون.
  2. إيداع طبقة من الذهب (عادة 100 نانومتر سميكة، الذي يحدد العرض من الأسلاك) من خلال ماستر تفلون (الذي يحدد طول الأسلاك الناتجة عن ذلك؛ 0.5 ملم، 1 ملم، 1.5 ملم أو) على السيليكون ما قبل المعالجة رقاقة.
  3. تغطية الرقاقة بأكملها مع ~ 8.5 مل من Epofix الايبوكسي قبل البوليمر وعلاج لمدة ثلاث ساعات في 60 درجة مئوية.
  4. قالب تجريد طبقة الذهب بواسطة تقشير بعناية الايبوكسي من الرقاقة بحيث يبقى الذهب تعلق على الايبوكسي الشفاء. إدراج حافة شفرة حلاقة في واجهة بين رقاقة السيليكون والايبوكسي ثم بلطف قشر طبقة الايبوكسي منرقاقة السيليكون. بسبب التصاق الفقراء من الذهب إلى رقاقة السيليكون المفلورة (الخطوة 1.1) ملامح الذهب تبقى انضمت إلى الايبوكسي ملاحظة: يجب الحرص على عدم كسر رقاقة السيليكون، وإلا فإن جزيئات السيليكون تلف سكين الماس في الخطوة باجتزاء.
  5. يتم وضع قناع تفلون نفسه إلى أكثر من الميزات الذهب، ولكن تعويض أفقيا التي كتبها ~ 80٪ من أقصر البعد من الميزات الذهب وإيداع طبقة من الألمنيوم أو الفضة عن طريق ماستر تفلون. وسمك هذه الطبقة تعريف المباعدة بين نانو فجوة بين الأسلاك الذهب. الحد الأدنى يعتمد على المعدن، ولكن هو ~ 5 نانومتر للالومنيوم والفضة، وتحتها طبقات تصبح متقطعة ملاحظة: هذا سوف تحدد في نهاية المطاف تعويض طول التداخل بين قطبين الذهب ويمكنك قياس ذلك مع الدقيقة الحاكم .
  6. لثغرات أقل من 5 نانومتر: تزج الذهب قالب جردت على الايبوكسي في حل 1 ملم من alkanedithiolفي الإيثانول (أو أي مذيب التي لا تنتفخ الايبوكسي) بين عشية وضحاها في غرفة مغلقة أن يتم إزالة مع النيتروجين (للتخفيف من تشكيل عفوية من ثنائي السلفيدات). (في هذه الورقة التي نستخدمها 1،12-dodecanedithiol، 1،14-tetradecanedithiol أو 1،16-hexadecanedithiol لإنتاج الثغرات من مختلف بعرض أقل من 3 نانومتر.) إزالة قالب جردت الركيزة الذهب على اساس الايبوكسي من SAM تشكيل حل. شطفه مع الإيثانول وجففها مع النيتروجين قبل التجفيف عند 60 لمدة 2 دقيقة.
  7. إذا باستخدام SAM، ضع عودة القناع تفلون على الركيزة الايبوكسي ولكن تعويض أفقيا التي كتبها ~ 80٪ من أقصر البعد من الميزات الذهب. إذا باستخدام المعادن، القناع هو بالفعل في موقف بعد الخطوة 1.5، لذلك لا تغيير موضع القناع بعد ترسب من الألومنيوم أو الفضة.
  8. إيداع طبقة ثانية من الذهب أو أي معدن آخر من خلال قناع. وعادة ما تتكون هذه الطبقة من نفس المعدن في سمك كأول (100 نانومتر سميكة في هذه الحالة).
  9. نزعقناع تفلون، مع الحرص على عدم خدش الميزات، الأمر الذي سيؤدي في أسلاك مقطوعة.
  10. إعادة تضمين الركيزة كامل في Epofix قبل البوليمر (~ 8.5 مل)، وعلاجه لمدة ثلاث ساعات على الأقل في 60.
  11. قطع الميزات خارج باستخدام رأى الصائغ (في ~ 4 × 10 قطعة مم) ووضع كل في بئر منفصلة في البولي اثيلين'' نعش'' مشراح العفن.
  12. ملء القالب مع Epofix قبل البوليمر، وعلاجه بين عشية وضحاها في 60 درجة مئوية.

2. باجتزاء

  1. إزالة كتلة من العفن البولي ايثلين وتركيبها في حامل العينة.
  2. إرفاق صاحب العينة إلى المرفق التشذيب وتركيبها في مشراح مستدق.
  3. تنظيف شفرة حلاقة مع الايثانول لإزالة زيوت التشحيم وشظايا معدنية وفحص حافة شفرة الحلاقة تحت المجسام من مشراح مستدق. وسوف أي شظايا المتبقية تلف سكين الماس خلال باجتزاء. تقليم كتلة إلى عرض سكين الماس (ثه استخدام 2 مم أو 4 ملم Diatome الترا 35 °) في شكل شبه منحرف (لأنه هو الشكل الأكثر استقرارا للباجتزاء) ملاحظة: استخدام بعض ultramicrotomes تقليم المرفقات التي جبل لذراع القطع، ولكن علينا تحقيق نتائج أفضل مع شفرات الحلاقة .
  4. محاذاة حافة سكين زجاج موازية إلى الحافة السفلى من الوجه من الكتلة.
  5. بدء قبل القطع مع مشراح مستدق (استخدمنا لايكا EMUC-6) مجهزة بسكين الزجاج لتحديد سطح أملس على وجه الكتلة.
  6. الى افتعال هيكل معدني، استبدال الزجاج سكين بسكين الماس، وإعادة محاذاته، وقسم كتلة إما إلى 100 نيوتن متر عند 1 ملم / ثانية أو 50 نيوتن متر عند 0.6 مم / ثانية. أقسام Epofix مستقرة وصولا الى ~ 30 نانومتر ملاحظة: للتحقق من السهل للسمك من المقاطع هو لونها، والتي تختلف يمكن التنبؤ بها بوصفها وظيفة من سمك و لا تعتمد على الراتنج التي استخدمت؛ هي بطاقات المرجعية المتاحة. 16
  7. جمع المقاطع الايبوكسي التي تحتوي على هياكل من سطح الماء في الخزان من السكين إما بشكل فردي باستخدام حلقة الكمال (علوم المجهر الإلكتروني) أو كما شرائط من عدة أقسام إلى Si/SiO2 (لSEM) أو SIO2 (على سبيل الكهربائية القياسات) الركيزة عن طريق وضع الركيزة تحت سطح الماء ورفعته ببطء.
  8. يجف المقاطع في 60 درجة مئوية لمدة 3 دقائق لتحسين التصاق بهم إلى الركيزة.
  9. إلى رماد الايبوكسي، فضح عينات لبلازما الأوكسجين (15 دقيقة في 1 م بار هي كافية لإزالة كل آثار من الايبوكسي من 100 أو 50 أقسام نانومتر سميكة) ملاحظة: إذا افتعال النانو للمقاييس الكهربائية، ويجب أن تكون هذه الخطوة أنجزت بعد الخطوة 4.

3. النقش من طبقة قرباني

  1. للالومنيوم: مكان المقاطع التي تحتوي على الألومنيوم في 2 M محلول مائي من حمض الهيدروكلوريك لمدة 2 ساعة. للفضة: فضح المقاطع لالبلازما الأكسجين لمدة 10. دقيقة ملاحظة: اختيار المواد يسمح إما الرطب النقش (باستخدام حمض الهيدروكلوريك) أو جافة والحفر (باستخدام البلازما الأوكسجين)، ولكن يمكن إزالتها عن طريق الحفر الفضة الرطب كذلك.
  2. لصواريخ سام: العلاج البلازما يحفر جزئيا صواريخ سام، ولكن أننا لم ننجح في جهودنا الرامية إلى تميز إلى أي درجة.

4. القياسات الكهربائية

  1. أقسام الايبوكسي مكان على ركيزة SIO2 التي تم تنظيفها (مثل استخدام حل بيرانا) وتجفيفها (الخطوات 2.7 و 2.8).
  2. تحميل الركيزة تحت المجهر الخفيفة أو المجسام تعلق على مشراح مستدق.
  3. تطبيق قطرات من معجون الفضة (أو الحبر الكربون) على طرفي الأسلاك في كل قسم. وهذه الهياكل المعدنية جزءا لا يتجزأ تكون مرئية إما خط أسود (من واجهة الذهب / الايبوكسي) أو، في حالة الهياكل الذهب سمكا (من الخطوات ترسب)، مرئية مباشرة. في كلتا الحالتين، ينبغي تطبيق قطراتبعيدا بما فيه الكفاية من المركز إلى قصيرة نانو الثغرات.

النتائج

نحن على استعداد هياكل nanogap من خلال دمج طبقتين الذبيحه المعدنية مثل التبادل: الألومنيوم والفضة. نحن محفورا هذه الطبقات للحصول على ثغرات للسمك المطلوب. كما هو موضح في قسم البروتوكول، بعد باجتزاء عرضنا الهياكل التي تحتوي على الفضة إلى البلازما الأكسجين، وتلك التي تحتوي...

Discussion

في هذه الورقة أثبتنا في تصنيع الهياكل nanogap باستخدام nanoskiving. هذه طريقة بسيطة تجريبيا يتيح إنتاج النانو بمعدل حوالي واحد في الثانية، مع السيطرة على كل الأبعاد الثلاثة. يتم تعريف بحجم الفجوة من خلال دمج الطبقات إما فداء من الألومنيوم والفضة أو المجمعة monolayers النفس من dithiol...

Disclosures

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

Acknowledgements

هذا العمل هو جزء من برنامج الطاقة الشمسية المشتركة (JSP) من Hyet الشمسية ومؤسسة Stichting VOOR Fundamenteel Onderzoek دير Materie FOM، الذي هو جزء من المنظمة الهولندية للأبحاث العلمية (NWO).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Reagent/Material
Epofix epoxy resin Electron Microscopy1232
Sciences
Gold Schone Edelmetaal B.V
Aluminum Umicore Materials AG
Silver Umicore Materials AG
(tridecafluoro-1,1,2,2, ABCR GmbH co.KG78560-45-9
-tetrahydrooctyl)
trichlorosilane
,12-dodecanedithiol Home-synthesisedAccording 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 houseAccording to: Akkerman et. al., Nature. 441, 69-72 (2006)
Equipment
Thermal deposition system home-built
Ultramicrotome Leica Microsystems
Dimanod knife ultra 35 DiatomeDU3540
Dimanod knife ultra 45 Scimed GMBH
Scanning electron microscope JOEL
Source meter Keithley
Table 1. Tables of Specific Reagents and Equipment.

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Xu, Q., Rioux, R. M., Whitesides, G. M. Fabrication of complex metallic nanostructures by nanoskiving. ACS Nano. 1 (3), 215-227 (2007).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Qin, L., Park, S., Huang, L., Mirkin, C. A. On-wire lithography. Science. 309 (5731), 113-115 (2005).
  13. Hatzor, A., Weiss, P. S. Molecular rulers for scaling down nanostructures. Science. 291 (5506), 1019-1020 (2001).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

75 Nanoskiving nanogaps SEM

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved