Realizzazione nanogap da Nanoskiving

Riepilogo

La fabbricazione di elettricamente indirizzabili,-aspect-ratio elevato (> 1000:1) nanofili metallici separati da spazi vuoti delle singole nanometri utilizzando sia strati sacrificali di alluminio e argento o monostrati auto-assemblati come modelli è descritta. Queste strutture nanogap sono fabbricati senza una camera pulita o una foto-o fasci elettronici litografiche processi da una forma di spigolo litografia conosciuta come nanoskiving.

Abstract

Ci sono diversi metodi di fabbricazione nanogap con spaziature controllati, ma il controllo preciso della spaziatura sub-nanometrica tra due elettrodi-e che li generano in pratiche quantità-è ancora impegnativo. La preparazione di elettrodi nanogap utilizzando nanoskiving, che è una forma di litografia bordo, è un veloce, tecnica semplice e potente. Questo metodo è un processo interamente meccanico che non include alcuna foto-litografiche o passi a fascio elettronico e non richiede particolari attrezzature o infrastrutture come camere bianche. Nanoskiving viene utilizzato per fabbricare nanogap elettricamente indirizzabili con controllo su tre dimensioni, il lato minore di queste strutture è definita dallo spessore dello strato sacrificale (Al o Ag) o monostrati auto-assemblati. Questi cavi possono essere posizionati manualmente trasportandoli sulle gocce d'acqua e sono direttamente elettricamente indirizzabili; non sono necessarie ulteriori litografia per collegarli ad unelettrometro.

Introduzione

Questo articolo descrive la realizzazione di elettricamente indirizzabili,-aspect-alto rapporto nanofili d'oro separate da spazi vuoti delle singole nanometri utilizzando sottovuoto depositato alluminio e argento come sacrificali strati spaziatori per le lacune> 5 nm e monostrati auto-assemblati (SAM) di alkanedithiols per lacune piccole come 1,7 nm. Abbiamo inventato queste nanostrutture senza una camera pulita o eventuali processi fotolitografici sezionando strutture sandwich di oro separati da un distanziatore sacrificale utilizzando un ultramicrotomo, una forma di spigolo litografia noto come nanoskiving. ^1-3 Questo metodo è una combinazione della deposizione di metallo sottile film e sezionamento con un ultramicrotomo. Il passo principale in nanoskiving sta affettando sezioni sottili con un ultramicrotomo dotato di lama di diamante che è attaccato ad una barca piena di acqua per la produzione di lastre, che sono sottili come ~ 30 nm. Ultramicrotomi sono ampiamente utilizzati per la preparazione di campioni sottili per l'imaging con ottica o eleggereron microscopia e molti dei professionisti più esperienza di ultramicrotomia provengono da un background biologico o medico. Ci sono diversi metodi di nanogap fabbricare compreso giunzioni meccaniche di rottura, ⁴ elettroni-litografia a fascio ^5, elettrochimica ^{placcatura, 6, 7, 8} elettromigrazione fascio ionico focalizzato litografia, ⁹ ombra evaporazione, ¹⁰ sonda di scansione e microscopia a forza atomica, ¹¹ sul filo litografia , governanti ¹² e molecolare. ¹³ Tutti questi metodi hanno le proprie caratteristiche e le applicazioni, ma la produzione e affrontare nanogap sia a numeri utili e con un controllo preciso delle dimensioni del gap rimane una sfida. Inoltre questi metodi hanno costi di gestione elevati, sono limitati alla classe di materiali che possono sopravvivere i processi di incisione, e sono limitati in risoluzione. Nanoskiving consente la rapida realizzazione di nanofili elettricamente indirizzabili con Spacing di singoli nanometri sul banco. Ci interessa la prototipazione rapida di nanostrutture per l'elettronica molecolare, per il quale gli elettrodi nano-fabbricati non richiedono tecniche specializzate o in termini di tempo; ¹⁴ una volta un blocco è fatto, può produrre centinaia di migliaia di nanostrutture, (serialmente) su richiesta. Tuttavia, la tecnica non è limitato a SAM o Elettronica molecolare ed è un metodo generale per la preparazione di un divario tra due nanostrutture. In questo lavoro utilizziamo argento, alluminio, e SAM come strati sacrificali per produrre spazi vuoti di varie dimensioni tra i nanofili d'oro, ma la tecnica non è limitata a questi materiali (o di nanofili metallici). I fili sono pick-and-place e sono compatibili con l'allineamento magnetico, quindi possono essere collocati su supporti arbitrari. Altro punto di forza di ¹⁵ nanoskiving è che permette il controllo di tutte e tre le dimensioni. Le dimensioni dei campioni sono determinati dalla topografia del substrato (X), laspessore del film depositato (Y) e lo spessore della lastra prodotta dal ultramicrotomo (Z). Figura 1 riassume il procedimento usato per produrre i nanofili con la spaziatura definita. Funzionalità Gold (1-2 mm in lunghezza) sono depositati per evaporazione attraverso una maschera Teflon su un substrato di silicio. EPOFIX (Electron Microscopy Sciences) epossidica pre-polimero viene versato su tutto il wafer, che copre le caratteristiche d'oro, quando la resina epossidica è guarito, la resina epossidica è separata dal wafer (cioè tramite template stripping); le caratteristiche dell'oro rimangono rispettate la resina epossidica . Per strati sacrificali metallici, alluminio o argento viene evaporata con lo spessore desiderato attraverso la maschera Teflon con un offset di 200 - 500 micron sopra le caratteristiche oro. Per produrre sub-5 lacune nm, un SAM è formato immergendo le caratteristiche oro in una soluzione etanolica 1 mM del dithiol appropriata durante la notte. Un secondo insieme di oro (o altro metallo) viene depositato ponendo il shadowmask Teflon sulprimo strato di caratteristiche oro (rivestito in argento, alluminio o un SAM) con un offset di 200 - 500 micron rispetto alla prima evaporazione. Questo offset finirà per definire la dimensione più lunga del gap, e può essere misurata con precisione utilizzando un micro-righello prima di incorporare l'intera struttura in resina epossidica per il sezionamento. Poi l'intera struttura è incorporato in un blocco di resina epossidica che poi potrebbe essere pronto per il sezionamento con la ultramicrotomo. Il braccio campione contiene l'intero blocco preparato come la lama di diamante avanza verso di esso in passaggi controllati che definiranno lo spessore delle lastre. La sezione risultante galleggia sull'acqua in barca.

Protocollo

1. Preparazione di un blocco per il sezionamento

1. Trattare un tecnico di livello 3 "wafer di silicio in un plasma un'aria più pulita in 30 sec e poi esporlo a (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) vapore trichlorosilane per un'ora. Nota: Questo passaggio è necessario prima passo 1.4 per impedire la resina epossidica aderisca al wafer di silicio.
2. Depositare uno strato di oro (generalmente 100 nm di spessore, che definisce la larghezza dei fili) attraverso una matrice di Teflon (che definisce la lunghezza dei fili risultanti, 0,5 mm, 1 mm o 1,5 mm) sul silicio pre-trattato wafer.
3. Coprire l'intero wafer con ~ 8,5 ml di EPOFIX epossidica pre-polimero e la cura per tre ore a 60 ° C.
4. Template-spogliare lo strato di oro dal peeling con cura la resina epossidica dal wafer in modo che l'oro rimane attaccato alla resina catalizzata. Inserire il bordo di una lama di rasoio all'interfaccia tra il wafer di silicio e resina epossidica e poi delicatamente sbucciare lo strato di resina dallail wafer di silicio. A causa della scarsa adesione di oro al wafer di silicio fluorurato (passo 1.1) le caratteristiche dell'oro rimangono rispettate la resina epossidica. NOTA: Fare attenzione a non rompere il wafer di silicio, altrimenti le particelle di silicio danneggerà il coltello di diamante nella fase di sezionamento.
5. La stessa maschera teflon viene reinserito sulle caratteristiche oro, ma sfalsato lateralmente di ~ 80% della dimensione più corta delle caratteristiche oro e depositare uno strato di alluminio o argento attraverso il master Teflon. Lo spessore di questo strato definirà la spaziatura del nano-gap tra i fili d'oro. Il limite inferiore dipende dal metallo, ma è ~ 5 nm per alluminio e argento, sotto il quale gli strati diventano discontinui Nota:. Questa correzione utensile fine di definire la lunghezza della sovrapposizione tra due elettrodi d'oro e lo si può misurare con micro-righello .
6. Per le lacune sotto i 5 nm: Immergere l'oro modello-stripped su resina epossidica in una soluzione 1 mM di un alkanedithiolin etanolo (o qualsiasi solvente che non gonfia la epossidica) durante la notte in una camera chiusa che viene spurgata con azoto (per mitigare la formazione spontanea di disolfuri). (In questo lavoro utilizziamo 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol o 1,16-hexadecanedithiol per produrre spazi vuoti di varie larghezze inferiori 3 nm.) Togliere il substrato di oro su base epossidica template-stripping dalla SAM-forming soluzione. Risciacquare con etanolo e asciugare con azoto prima di essiccazione a 60 per 2 min.
7. Se si utilizza un SAM, riposizionare la maschera Teflon sul substrato epossidico ma sfalsato lateralmente di ~ 80% della dimensione più corta delle caratteristiche oro. Se si utilizza un metallo, la maschera è già in posizione dopo passo 1.5, per non cambiare la posizione della maschera dopo la deposizione del alluminio o argento.
8. Depositare un secondo strato di oro o qualsiasi altro metallo attraverso la maschera. Questo strato sarà generalmente composto dallo stesso metallo allo spessore del primo (100 nm di spessore in questo caso).
9. Rimuoverela maschera di Teflon, facendo attenzione a non graffiare le caratteristiche, che si tradurrà in nanofili rotti.
10. Re-incorporare l'intero substrato in EPOFIX pre-polimero (~ 8,5 ml) e curarla per almeno tre ore a 60.
11. Tagliare le caratteristiche utilizzando sega di un gioielliere (in ~ 4 x 10 pezzi mm) e collocare ciascuno in una ben distinta in polietilene'' bara'' stampo microtomo.
12. Riempire lo stampo con EPOFIX pre-polimero, e curarlo durante la notte a 60 ° C.

2. Sezionamento

1. Rimuovere un blocco dallo stampo polietilene e montarlo nel supporto del campione.
2. Fissare il supporto del campione per l'attaccamento rifilatura e montarlo nel ultramicrotomo.
3. Pulire una lama di rasoio con etanolo per rimuovere il lubrificante e frammenti di metallo e ispezionare il bordo della lama di rasoio sotto l'stereoscopio del ultramicrotomo. Eventuali frammenti residui potrebbero danneggiare il coltello di diamante durante il sezionamento. Tagliare il blocco alla larghezza del coltello di diamante (we utilizzare 2 o 4 mm DIATOME Ultra 35 °) in una forma trapezoidale (perché è la forma più stabile per il sezionamento). Nota: alcuni ultramicrotomi usano rifilatura allegati che montano al braccio di taglio, ma ottenere risultati migliori con lame di rasoio .
4. Allineare il bordo di un coltello vetro parallelo al bordo inferiore della faccia del blocco.
5. Avviare pre-taglio con la ultramicrotomo (abbiamo usato una Leica EMUC-6) dotato di una lama di vetro per definire una superficie liscia sulla faccia del blocco.
6. Per fabbricare una struttura metallica, sostituire il coltello di vetro con un coltello di diamante, ri-allinearlo, e la sezione per il blocco o 100 nm a 1 mm / sec o 50 nm a 0.6 mm / sec. Sezioni EPOFIX sono stabili fino a circa 30 nm Nota: una verifica facile degli spessori delle sezioni è il loro colore, che varia prevedibile in funzione di spessore e non dipende la resina che è stata usata; schede di riferimento sono disponibili.. ¹⁶
7. Raccogliere sezioni epossidici contenenti le strutture dalla superficie dell'acqua nel serbatoio del coltello sia singolarmente utilizzando un loop perfetto (Sciences Electron Microscopy) o come nastri di vari punti ad un Si/SiO2 (per SEM) o SiO2 (per elettrico misurazioni) substrato ponendo substrato sotto la superficie dell'acqua e alzando lentamente.
8. Essiccare le sezioni a 60 ° C per 3 ore per migliorare la loro adesione al substrato.
9. Per cenere la resina epossidica, esporre i campioni ad un plasma di ossigeno (15 min a 1 mbar è sufficiente a rimuovere tutte le tracce di resina epossidica da 100 o 50 sezioni nm di spessore). Nota: Se fabbricare nanostrutture per misure elettriche, questo passaggio deve essere eseguita dopo Passo 4.

3. Acquaforte la strato sacrificale

1. Per alluminio: Posto sezioni contenenti alluminio in una soluzione acquosa 2 M di HCl per 2 h. Per l'argento: esporre le sezioni di plasma di ossigeno per 10. min Nota: la selezione dei materiali permette sia wet-etching (usando HCl) o l'attacco a secco (usando plasma di ossigeno), tuttavia argento possono essere rimosse mediante attacco umido pure.
2. Per SAM: trattamento al plasma incide parzialmente i SAM, ma noi abbiamo avuto successo nei nostri sforzi per caratterizzare in che misura.

4. Misure Elettriche

1. Sezioni epossidiche posto su un substrato di SiO2 che è stata accuratamente pulita (ad esempio utilizzando soluzione Piraña) e asciugarli (punti 2.7 e 2.8).
2. Montare il substrato sotto un microscopio ottico o lo stereoscopio collegato al ultramicrotomo.
3. Applicare gocce di pasta d'argento (o inchiostro carbonio) su due estremità di fili in ogni sezione. Queste strutture metalliche incorporate saranno visibili sia come una linea nera (dall'interfaccia oro / epossidica) o, nel caso di strutture oro spessi (dalle fasi di deposizione), direttamente visibili. In entrambi i casi, le gocce dovrebbero essere applicatisufficientemente lontano dal centro a breve le nano-gap.

Risultati

Abbiamo preparato strutture nanogap incorporando due strati sacrificali metallici come il distanziatore: alluminio e argento. Noi acidato questi strati per ottenere lacune del desiderato spessori. Come descritto nella sezione Protocollo, dopo il sezionamento abbiamo esposto le strutture contenenti argento al plasma di ossigeno, e quelli contenenti alluminio per acquoso HCl. Figura 2 mostra la scansione al microscopio elettronico (SEM) dei nanofili risultanti con separazione su scala nanometrica. In entr...

Discussione

In questo lavoro abbiamo dimostrato la fabbricazione di strutture nanogap utilizzando nanoskiving. Questo metodo sperimentalmente semplice consente la produzione di nanostrutture al ritmo di circa uno al secondo, con controllo su tutte e tre le dimensioni. Il divario di dimensioni è definita da incorporare entrambi gli strati sacrificali di alluminio e argento o monostrati auto-assemblati di ditioli (che offre una risoluzione piccolo come una). Le nanostrutture possono essere posizionati a mano su qualsiasi substrato a...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.