Name: a standard and reliable method to fabricate two-dimensional nanoelectronics
Uploaded: 2018-08-28T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 12 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics at JoVE.com

Questo lavoro è stato supportato dal Consiglio nazionale di scienza, Taiwan sotto contratto no. PIÙ 105-2112-M-003-016-MY3. Questo lavoro inoltre è stato sostenuto in parte dai laboratori nazionali di dispositivo Nano e laboratorio di e-fascio di ingegneria elettrica dell'Università nazionale di Taiwan.

1. processo di fabbricazione di transistor 2D Quasi-heterojunction
<ol><li>Preparare commerciale c-aereo zaffiro.<ol>
<li>Lavare l'intero singolo-lato di zaffiro (2 pollici) con acetone.</li>
		<li>Sciacquare il substrato di zaffiro con alcool isopropilico.</li>
	</ol></li>
	<li>Crescere MoS2 su substrato di zaffiro utilizzando CVD in una fornace di pareti calde.<ol>
<li>Posto 0,6 g di polvere di molibdeno triossido (MoO3) in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di3 MoO.</li>
		<li>Preparare la polvere di zolfo (S) in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 190 ° C durante la reazione.</li>
		<li>Utilizzare argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flusso per portare i vapori di3 S e MoO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 750 ° C.</li>
		<li>Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 750 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire EBL. Nota: Un Au sottile di circa 5 nm è stato depositato da sputtering per lo scarico durante tutti i processi di EBL su substrato di zaffiro<ol>
<li>Identificare, utilizzando un microscopio ottico, un'area dove si osservano fiocchi di MoS2 monostrato, quindi progettare il layout del modello di striscia per quel settore specifico utilizzando un software di progettazione (AutoCAD).</li>
		<li>Spin-cappotto photoresist (PR), metacrilato di polymethyl (PMMA) ad esempio o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.</li>
		<li>Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.</li>
		<li>Convertire il layout di modello al punto 1.3.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.</li>
		<li>Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle righe nel layout. Nota: Per la larghezza della riga più stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm2; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm2; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm2.</li>
		<li>Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.</li>
		<li>Applicare cuocere post-esposizione (PEB) sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.</li>
		<li>Utilizzare tetrametilammonio idrossido (TMAH) 2,38% come sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.</li>
		<li>Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.</li>
		<li>Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.</li>
	</ol></li>
	<li>Definire le strutture di striscia con acquaforte di 50 W ossigeno (O2) del plasma (1st acquaforte) per 30 s a 2 min e Rimuovi PR con 50 mL di acetone.</li>
	<li>Crescere diseleniuro di tungsteno (WSe2) mediante CVD nella posizione di destinazione, che si tradurrà in una crescita preferita di WSe2 strato tra le strisce di2 MoS già esistente sul substrato di zaffiro.<ol>
<li>Posto 0,6 g di polvere di tungsteno triossido (WO3) in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di3 WO.</li>
		<li>Preparare la polvere di selenio (Se) in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 260 ° C durante la reazione.</li>
		<li>Utilizzare Ar/H2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gas flusso per portare i vapori di3 Se e WO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 925 ° C.</li>
		<li>Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 925 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.</li>
	</ol></li>
	<li>Fabbricare le matrici metallico della pastiglia e i segni di allineamento.<ol>
<li>Sovrapporre i modelli di matrici metallico della pastiglia e allineamento i marchi mediante fotolitografia patterning tecnica.</li>
		<li>Deposito 20 nm/60 nm Ti/Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore. Nota: L'oro è usato per evitare l'ossidazione dei rilievi del metallo.</li>
		<li>Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone mentre controllo l'intero processo tramite microscopia ottica finché le pastiglie in metallo diventano evidenti.</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire un altro processo EBL per sovrapporre un reticolo di forma del nastro in cima MoS2- WSe2 eterogiunzione.<ol>
<li>Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione in MoS2- WSe2 eterogiunzione e i segni di allineamento mediante microscopia ottica e progettare il layout della barra multifunzione-forma sulla base di queste misurazioni utilizzando un software (AutoCAD).</li>
		<li>Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.</li>
		<li>Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.</li>
		<li>Convertire il layout di ripetizione nel passaggio 1.7.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.</li>
		<li>Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle righe nel layout. Nota: Per la larghezza della riga più stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm2; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm2; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm2.</li>
		<li>Impostare la macchina EBL tale che la posizione dei segni di allineamento nel substrato zaffiro corrisponde la sua corrispondenza nel layout.</li>
		<li>Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.</li>
		<li>Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.</li>
		<li>Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.</li>
		<li>Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.</li>
		<li>Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.</li>
	</ol></li>
	<li>Utilizzare acquaforte di O2 al plasma (2nd acquaforte) per definire un'eterogiunzione laterali a forma di nastro e rimuovere PR dall'acetone.</li>
	<li>Eseguire il processo di EBL per sovrapporre il modello degli elettrodi metallici Ti/Au.<ol>
<li>Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione in MoS2- WSe2 eterogiunzione e i segni di allineamento mediante microscopia ottica e progettare il layout di elettrodo metallico sulla base di queste misurazioni utilizzando un software (AutoCAD).</li>
		<li>Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione dopo spin-coating.</li>
		<li>Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.</li>
		<li>Convertire il layout di ripetizione nel passaggio 1.9.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.</li>
		<li>Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle linee metalliche nel layout. Nota: Per la larghezza della linea metallo stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm2; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm2; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm2.</li>
		<li>Impostare la macchina EBL tale che le posizioni dei segni di allineamento nel substrato zaffiro corrisponde la sua corrispondenza nel layout.</li>
		<li>Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.</li>
		<li>Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.</li>
		<li>Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.</li>
		<li>Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.</li>
		<li>Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire il lift-off e deposizione metallica Ti/Au<ol>
<li>Cassetta di metallo di Ti/Au usando la pistola di elettrone evaporatore con lo spessore di meno di 100 nm, in caso contrario, sarà difficile rimuovere il PR e il metallo indesiderato di Lift-off.</li>
		<li>Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone mentre controllo l'intero processo tramite microscopia ottica finché ci sono solo linee di metallo e pastiglie a sinistra.</li>
	</ol></li>
	<li>Eseguire il processo di EBL nel passaggio 1,9 ma sovrapposizione pattern di elettrodo metallico di Pd/Au invece Ti/Au.</li>
	<li>Eseguire il processo di deposizione e Lift-off metallo nel passaggio 1.10 ma depositare Pd/Au invece Ti/Au.</li>
</ol>2. processo di fabbricazione 2D Back-gated transistori
<ol><li>Preparare il retro-gated Si/SiO2 substrati con segni di allineamento.<ol>
<li>Preparare il substrato SiO2/Si fatti in casa o commerciale.</li>
		<li>Consente di definire il segno di allineamento fotolitografia o tecniche di campitura EBL.</li>
		<li>Eseguire reattiva ion etching (RIE) sul substrato di SiO2/Si finché non raggiunge la profondità totale dell'area target 1000 nm e rimuovere il PR da plasma di2 O di rivelare i segni di allineamento formata.</li>
		<li>I modelli di matrici di pad in metallo mediante fotolitografia patterning tecnica di sovrapposizione.</li>
		<li>Deposito 20 nm/60 nm Ti/Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore. Nota: L'oro è usato per evitare l'ossidazione dei rilievi del metallo.</li>
		<li>Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone durante l'intero processo di monitoraggio mediante microscopia ottica fino a quando le pastiglie in metallo diventano evidenti.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire il CVD di MoS2 su substrato di zaffiro in una fornace di pareti calde.<ol>
<li>Posto 0,6 g di MoO3 in polvere in una barca di quarzo situato presso il riscaldamento zona centro del forno. Mettere il substrato dello zaffiro a valle accanto alla barca di quarzo contenente la polvere di3 MoO.</li>
		<li>Preparare la polvere di S in una barca di quarzo separato sul lato a Monte del forno. Mantenere la sua temperatura a 190 ° C durante la reazione.</li>
		<li>Utilizzare argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flusso per portare i vapori di3 S e MoO al substrato di zaffiro durante il riscaldamento della zona centro a 750 ° C.</li>
		<li>Mantenere la zona di riscaldamento, dopo aver raggiunto la temperatura desiderata crescita di 750 ° C, per 15 min e poi naturalmente raffreddare il forno a temperatura ambiente.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Consente di trasferire il substrato di retro-gated SiO2/Si MoS2 dallo zaffiro.<ol>
<li>Cappotto di spin PMMA con la velocità di centrifuga di 3500 rpm per 30 s sopra il film2 MoS.</li>
		<li>Cuocere il MoS2/sapphire campione a 120 ° C per 3 min per rinforzare lo strato di PMMA.</li>
		<li>Immergere il MoS2/Sapphire campione in 50 mL di soluzione di ammoniaca (14,5%) per circa 30 min a 2 h per separare il film2 MoS dal substrato dello zaffiro.</li>
		<li>Pick up il film e trasferirlo al SiO2/Si substrato.</li>
		<li>Cuocere l'esempio di MoS2/SiO2/Si al fine di migliorare l'adesione tra il MoS2 e SiO2 strati. Riscaldare il campione a 120 ° C per circa 30 min a 1 h.</li>
		<li>Rimuovere il PMMA lavandolo con 30 mL di acetone per circa 30 min a 2 h.</li>
		<li>Sciacquare il campione con alcool isopropilico e utilizzare l'azoto per soffiarlo asciutto.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire EBL. Nota: Non c'è nessun Au sottile depositato sul substrato di SiO2/Si durante processo di EBL, poiché Si è in qualche modo conduttivo.<ol>
<li>Misurare lo spostamento delle coordinate tra la località di destinazione e l'allineamento contrassegna mediante microscopia ottica e, sulla base di queste misurazioni, progettare il layout di modello degli elettrodi metallici utilizzando un software di progettazione. Nota: Elettrodi metallici collegare i punti di destinazione nel campione2 MoS per i rilievi del metallo nel SiO2/Si substrato.</li>
		<li>Spin-cappotto PR, per esempio PMMA o P015, sopra il campione a 2000 rpm per 60 s (temperatura ambiente). Assicurarsi che il PR ha coperto l'intero campione.</li>
		<li>Riscaldare il campione (cuocere morbido) a 100 ° C per 90 s in modo da far evaporare i solventi nel PR e migliorare l'adesione.</li>
		<li>Convertire il layout di modello al punto 2.4.1 in un file specifico (esempio: file GDS) e caricarlo nel software EBL.</li>
		<li>Determinare la dose ideale di fascio di elettroni basato sulla larghezza delle linee metalliche nel layout. Nota: Per la larghezza della linea metallo stretto di 1 µm, la dose ideale di fascio di elettroni è 110 µC/cm2; per 1 a 5 µm spessore della linea, la dose è 100 µC/cm2; e per una larghezza di linea più ampia di 5 µm, la dose è di 80 µC/cm2.</li>
		<li>Impostare la macchina EBL tale che la posizione dei segni di allineamento nel substrato Si/SiO2 partite relativa corrispondenza nel layout.</li>
		<li>Inizia a esporre il campione a fascio di elettroni.</li>
		<li>Applicare PEB sul campione dopo l'esposizione al fine di ridurre gli effetti di onde stazionarie. Riscaldare il campione a 120 ° C per 90 s.</li>
		<li>Utilizzare TMAH 2,38% come lo sviluppatore. Immergere il campione TMAH per 80 s. lavare il TMAH con 200 mL di acqua deionizzata per 10 s.</li>
		<li>Esaminare se il modello è ben sviluppato mediante microscopia ottica.</li>
		<li>Condurre cuocere difficile sbarazzarsi di acqua in eccesso in calore Pr. il campione a 110 ° C per 90 s.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire il lift-off e deposizione di metallo Au<ol>
<li>Cassetta di metallo Au utilizzando la pistola di elettrone evaporatore con lo spessore di meno di 100 nm, in caso contrario, sarà difficile rimuovere il PR e il metallo indesiderato di Lift-off.</li>
		<li>Preparare e immergere il campione a 100 mL di acetone per sciogliere PR ed eseguire Lift-off. Agitare e soffiare l'acetone durante il monitoraggio del processo tramite microscopia ottica, fino a quando non ci sono solo linee di metallo e pastiglie a sinistra.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Kim, Y. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+for+Nanoscale+MOSFETs+and+Emerging+Nanoelectronics.">Challenges for Nanoscale MOSFETs and Emerging Nanoelectronics.</a> Transactions on Electrical and Electronic Materials. 11 (3), 93-105 (2010).</li><li>Waldrop, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+chips+are+down+for+Moore's+law.">The chips are down for Moore's law.</a> Nature. 530 (7589), 144-147 (2016).</li><li>Lan, Y. W., Chang, W. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

In questo articolo vengono illustrate le procedure dettagliate di fabbricare romanzo elettronica basata su materiali 2D in scala nanometrica. Poiché le procedure di preparazione dei campioni di ogni applicazione presentano differenze con l'altro, i processi sovrapposti sono stati trattati come protocollo. Elettrone fascio patterning combinato con determinazione di posizione materiale e definizione di elettrodo metallico serve quindi come il protocollo qui. Tra i due tipi di dispositivi citati, l'intero processo di trans...

Da decenni passati, l'umanità sta vivendo rapid downscale delle dimensioni dei transistor e, di conseguenza, un aumento esponenziale del numero di transistor nei circuiti integrati (ICs). Questo mantiene il continuo progresso della tecnologia basata sul silicio complementari metal-oxide semiconductor (CMOS)1. Inoltre, questa tendenza attuale con le dimensioni e le prestazioni dei dispositivi fabbricati sono ancora in pista con la legge di Moore, che afferma che il numero di transistor su chip elettronici, nonché le loro prestazioni, raddoppia circa ogni due anni2. Transistor CMOS sono presenti nella maggior parte, se non tutti, dei dispositivi elettronici disponibili sul mercato e rendendo così parte integrante della vita umana. A causa di questo, ci sono continue richieste per miglioramenti in chip di dimensioni e prestazioni che hanno spinto i produttori a continuare a seguire pista legge del Moore.
Purtroppo, la legge di Moore sembra essere prossimo alla fine a causa della quantità di calore generato come più circuiti di silicio sono infilati in una piccola area2. Ciò richiede nuovi tipi di materiali che possono fornire lo stesso, se non meglio, prestazioni come il silicio e, allo stesso tempo, può essere implementato in scala relativamente ridotta. Recentemente, nuovi materiali promettenti sono stati soggetti di molte ricerche di scienza dei materiali. Tali materiali come unidimensionale (1D) carbonio nanotubes3,4,5,6,7, grafene 2D8,9,10, 11 , 12e metalli di transizione dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, sono buoni candidati che possono essere utilizzati come sostituire il silicio CMOS e continuare la pista legge del Moore.
Fabbricazione di piccoli dispositivi richiede attenta determinazione della posizione del materiale di procedere con successo per le altre tecniche di fabbricazione come la litografia e definizione di elettrodo metallico. Quindi, il metodo presentato in questa carta è stato progettato per rispondere a questa esigenza. Rispetto al tradizionale semiconductor fabrication tecniche19, l'approccio presentato in questo paper è Sarto-misura allo sviluppo di dispositivi su scala ridotta che necessita di maggiore attenzione in termini di trovare la posizione del materiale. Lo scopo di questo metodo è affidabile fabbricare dispositivi di nanomateriale 2D, come 2D retro-gated transistori e Q-HBTs, utilizzando processi di fabbricazione standard. Questo può servire come una piattaforma per gli sviluppi futuri nanomacchina come spiana la strada verso la produzione di dispositivi futuri avanzate nano-scala.
Nella sezione procedimento, i processi di fabbricazione per dispositivi basati su materiali 2D vale a dire, il Q-HBT e 2D retro-gated transistor sono discussi in dettaglio. Elettrone fascio patterning combinato con determinazione di posizione materiale ed elettrodo metallico definizione comprende il protocollo, poiché essi sono tenuti in entrambi i processi menzionati. Parte 1 viene illustrato il processo di fabbricazione dettagliata di Q-HBTs20; e parte 2 viene illustrato un approccio universale per ottenere il bisolfuro di molibdeno di chemical vapor deposition (CVD) (MoS2) retro-gated transistori dal trasferimento a lift-off21, che è stato completamente indicato nell'articolo. Il flusso di processo dettagliato è illustrato nella (Figura 1).

<table><tbody><tr><td>E-gun Evaporator</td><td>AST</td><td>PEVA 600I</td><td></td></tr><tr><td>Au slug, 99.99%</td><td>Well-Being Enterprise Co</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Ti slug, 99.99%</td><td>Well-Being Enterprise Co</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>E-beam Lithography System</td><td>Elionix</td><td>ELS7500-EX</td><td></td></tr><tr><td>Cold Wall CVD System</td><td>Sulfur Science</td><td>SCW600S</td><td></td></tr><tr><td>C-plane Sapphire substrate</td><td>Summit-Tech</td><td>X171999</td><td>(0001) &amp;plusmn; 0.2 &amp;deg; one side polished</td></tr><tr><td>100 nm SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;/Si</td><td></td><td></td><td>Fabricated in NDL</td></tr><tr><td>Ammonia Solution</td><td>BASF</td><td>Ammonia Solution 28% Selectipur</td><td></td></tr><tr><td>Molybdenum (Mo), 99.95%</td><td>Summit-Tech</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Tungsten (W), 99.95%</td><td>Summit-Tech</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Sulfur (S), 99.5%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13803</td><td></td></tr><tr><td>Polymethyl Methacrylate (PMMA)</td><td>Microchem</td><td>8110788</td><td>Use for transfer process</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>Laurell</td><td>WS 400B 6NPP LITE</td><td></td></tr><tr><td>Acetone</td><td>BASF</td><td>Acetone EL Selectipur</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol (IPA)</td><td>BASF</td><td>2-Propanol UPS</td><td></td></tr><tr><td>Photo Resist for EBL</td><td>TOK</td><td>TDUR-P-015</td><td></td></tr><tr><td>Plasma Cleaner</td><td>Harrick Plasma</td><td>PDC-32G</td><td>Oxygen plasma</td></tr></tbody></table>

a standard and reliable method to fabricate two-dimensional nanoelectronics

Materiali di bidimensionale (2D) hanno attirato l'attenzione enorme a causa di loro proprietà uniche e le potenziali applicazioni. Poiché wafer scala sintesi di materiali 2D sono ancora in fase nascente, gli scienziati completamente non possono basarsi sulle tecniche di semiconduttori tradizionali per la ricerca. Processi delicati da individuare i materiali alla definizione di elettrodo devono essere ben controllati. In questo articolo, un protocollo universale fabbricazione necessaria nella produzione di elettronica su scala nanometrica, come 2D quasi eterogiunzione bipolare Transistor (Q-HBT) e 2D retro-gated transistori sono dimostrati. Questo protocollo riguarda la determinazione della posizione del materiale, Litografia a fascio di elettroni (EBL), definizione di elettrodo metallico, et al. Un racconto di passo per passo le procedure di fabbricazione per questi dispositivi inoltre sono presentati. Inoltre, i risultati mostrano che ogni dispositivo fabbricato ha raggiunto ad alte prestazioni con elevata ripetibilità. Questo lavoro rivela una descrizione completa del flusso di processo per la preparazione di 2D nano-elettronica, consente i gruppi di ricerca accedere a queste informazioni e spianare la strada verso l'elettronica del futuro.

I processi di fabbricazione del dispositivo sono stati applicati a molte delle ricerche dell'autore corrispondente che coinvolgono lo sviluppo di dispositivi materiale 2D. In questa parte, i risultati di alcune di queste ricerche sono presentati per dimostrare l'effettività del protocollo discusso sopra. Un monostrato di laterale WSe2-MoS2 Q-HBT20 è selezionato come il primo esempio. Utilizzando i processi di fabbricazione del dispositivo st...

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A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics

L'articolo mira a introdurre una procedura di fabbricazione standard e affidabile per lo sviluppo della futura basso nanoelettronica dimensionale.

Un metodo Standard e affidabile per fabbricare nanoelettronica bidimensionale

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

9.5K Views.  National Taiwan Normal University. L'articolo mira a introdurre una procedura di fabbricazione standard e affidabile per lo sviluppo della futura basso nanoelettronica dimensionale.

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Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two electrodes-and generating them in practical quantities-is still challenging. The preparation of nanogap electrodes using nanoskiving, which is a form of edge lithography, is a fast, simple and powerful technique. This method is an entirely mechanical process which does not include any photo- or electron-beam lithographic steps and does not require any special equipment or infrastructure such as clean rooms. Nanoskiving is used to fabricate electrically addressable nanogaps with control over all three dimensions; the smallest dimension of these structures is defined by the thickness of the sacrificial layer (Al or Ag) or self-assembled monolayers. These wires can be manually positioned by transporting them on drops of water and are directly electrically-addressable; no further lithography is required to connect them to an electrometer.

The fabrication of electrically addressable, high-aspect-ratio (> 1000:1) metal nanowires separated by gaps of single nanometers using either sacrificial layers of aluminum and silver or self-assembled monolayers as templates is described. These nanogap structures are fabricated without a clean room or any photo- or electron-beam lithographic processes by a form of edge lithography known as nanoskiving.

Realizzazione nanogap da Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

Ricerca

Chimica

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating metal patterns on a submicron scale requires a combination of nanofabrication tools and several material processing steps. For example, steps to create planar metal structures using ultraviolet photolithography and electron-beam lithography can include sample exposure, sample development, metal deposition, and metal liftoff. To create 3D metal structures, the sequence is repeated multiple times. The complexity and difficulty of stacking and aligning multiple layers limits practical implementations of 3D metal structuring using standard nanofabrication tools. Femtosecond-laser direct-writing has emerged as a pre-eminent technique for 3D nanofabrication.1,2 Femtosecond lasers are frequently used to create 3D patterns in polymers and glasses.3-7 However, 3D metal direct-writing remains a challenge. Here, we describe a method to fabricate silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm. The method enables the fabrication of patterns not feasible using other techniques, such as 3D arrays of disconnected silver voxels.8 Disconnected 3D metal patterns are useful for metamaterials where unit cells are not in contact with each other,9 such as coupled metal dot10,11or coupled metal rod12,13 resonators. Potential applications include negative index metamaterials, invisibility cloaks, and perfect lenses.
In femtosecond-laser direct-writing, the laser wavelength is chosen such that photons are not linearly absorbed in the target medium. When the laser pulse duration is compressed to the femtosecond time scale and the radiation is tightly focused inside the target, the extremely high intensity induces nonlinear absorption. Multiple photons are absorbed simultaneously to cause electronic transitions that lead to material modification within the focused region. Using this approach, one can form structures in the bulk of a material rather than on its surface.
Most work on 3D direct metal writing has focused on creating self-supported metal structures.14-16 The method described here yields sub-micrometer silver structures that do not need to be self-supported because they are embedded inside a matrix. A doped polymer matrix is prepared using a mixture of silver nitrate (AgNO3), polyvinylpyrrolidone (PVP) and water (H2O). Samples are then patterned by irradiation with an 11-MHz femtosecond laser producing 50-fs pulses. During irradiation, photoreduction of silver ions is induced through nonlinear absorption, creating an aggregate of silver nanoparticles in the focal region. Using this approach we create silver patterns embedded in a doped PVP matrix. Adding 3D translation of the sample extends the patterning to three dimensions.

Femtosecond-laser direct-writing is frequently used to create three-dimensional (3D) patterns in polymers and glasses. However, patterning metals in 3D remains a challenge. We describe a method for fabricating silver nanostructures embedded inside a polymer matrix using a femtosecond laser centered at 800 nm.

Un metodo per fabbricare nanostrutture d&#39;argento disconnesse in 3D

The standard nanofabrication toolkit includes  techniques primarily aimed at creating 2D patterns in dielectric media. Creating  metal patterns on a ...

Ingegneria

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

Nanofabbricazione di Porta definiti-GaAs / AlGaAs laterali Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Ultrahigh Density Array of Vertically Aligned Small-molecular Organic Nanowires on Arbitrary Substrates

In recent years &pi;-conjugated organic semiconductors have emerged as the active material in a number of diverse applications including large-area, low-cost displays, photovoltaics, printable and flexible electronics and organic spin valves. Organics allow (a) low-cost, low-temperature processing and (b) molecular-level design of electronic, optical and spin transport characteristics. Such features are not readily available for mainstream inorganic semiconductors, which have enabled organics to carve a niche in the silicon-dominated electronics market. The first generation of organic-based devices has focused on thin film geometries, grown by physical vapor deposition or solution processing. However, it has been realized that organic nanostructures can be used to enhance performance of above-mentioned applications and significant effort has been invested in exploring methods for organic nanostructure fabrication.	
A particularly interesting class of organic nanostructures is the one in which vertically oriented organic nanowires, nanorods or nanotubes are organized in a well-regimented, high-density array. Such structures are highly versatile and are ideal morphological architectures for various applications such as chemical sensors, split-dipole nanoantennas, photovoltaic devices with radially heterostructured "core-shell" nanowires, and memory devices with a cross-point geometry. Such architecture is generally realized by a template-directed approach. In the past this method has been used to grow metal and inorganic semiconductor nanowire arrays. More recently &pi;-conjugated polymer nanowires have been grown within nanoporous templates. However, these approaches have had limited success in growing nanowires of technologically important &pi;-conjugated small molecular weight organics, such as tris-8-hydroxyquinoline aluminum (Alq3), rubrene and methanofullerenes, which are commonly used in diverse areas including organic displays, photovoltaics, thin film transistors and spintronics.	
Recently we have been able to address the above-mentioned issue by employing a novel "centrifugation-assisted" approach. This method therefore broadens the spectrum of organic materials that can be patterned in a vertically ordered nanowire array. Due to the technological importance of Alq3, rubrene and methanofullerenes, our method can be used to explore how the nanostructuring of these materials affects the performance of aforementioned organic devices. The purpose of this article is to describe the technical details of the above-mentioned protocol, demonstrate how this process can be extended to grow small-molecular organic nanowires on arbitrary substrates and finally, to discuss the critical steps, limitations, possible modifications, trouble-shooting and future applications.

We report a simple method for fabricating an ultrahigh density array of vertically ordered small-molecular organic nanowires. This method allows for synthesis of complex heterostructured hybrid nanowire geometries, which can be inexpensively grown on arbitrary substrates. These structures have potential applications in organic electronics, optoelectronics, chemical sensing, photovoltaics and spintronics.

Altissima densità Array of allineato verticalmente Nanofili organici piccola molecolari su substrati arbitrarie

In  recent years &pi;-conjugated  organic semiconductors have emerged as the active material in a number of  diverse applications including large-area, ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicio metallico-ossido-semiconduttore Quantum Dots per singolo elettrone di pompaggio

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomicamente tracciabile nanostrutture

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them good candidates for high sensitivity biosensors. When a charged molecule binds to such a sensor surface, it alters the carrier density5 in the sensor, resulting in changes in its DC conductance. However, in an ionic solution a charged surface also attracts counter-ions from the solution, forming an electrical double layer (EDL). This EDL effectively screens off the charge, and in physiologically relevant conditions ~100 millimolar (mM), the characteristic charge screening length (Debye length) is less than a nanometer (nm). Thus, in high ionic strength solutions, charge based (DC) detection is fundamentally impeded6-8.
We overcome charge screening effects by detecting molecular dipoles rather than charges at high frequency, by operating carbon nanotube field effect transistors as high frequency mixers9-11. At high frequencies, the AC drive force can no longer overcome the solution drag and the ions in solution do not have sufficient time to form the EDL. Further, frequency mixing technique allows us to operate at frequencies high enough to overcome ionic screening, and yet detect the sensing signals at lower frequencies11-12. Also, the high transconductance of SWNT transistors provides an internal gain for the sensing signal, which obviates the need for external signal amplifier.
Here, we describe the protocol to (a) fabricate SWNT transistors, (b) functionalize biomolecules to the nanotube13, (c) design and stamp a poly-dimethylsiloxane (PDMS) micro-fluidic chamber14 onto the device, and (d) carry out high frequency sensing in different ionic strength solutions11.

We describe the device fabrication and measurement protocol for carbon nanotube based high frequency biosensors. The high frequency sensing technique mitigates the fundamental ionic (Debye) screening effect and allows nanotube biosensor to be operated in high ionic strength solutions where conventional electronic biosensors fail. Our technology provides a unique platform for point-of-care (POC) electronic biosensors operating in physiologically relevant conditions.

Fabbricazione di Nanotubi di carbonio ad alta frequenza Nanoelectronic biosensore per la rilevazione in alta forza ionica Solutions

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them ...

Bioingegneria

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of nanowires. DEP is used for nanowire analysis, characterization, and for solution-based fabrication of semiconducting devices. The method works by applying an alternating electric field between metallic electrodes. The nanowire formulation is then dropped onto the electrodes which are on an inclined surface to create a flow of the formulation using gravity. The nanowires then align along the gradient of the electric field and in the direction of the liquid flow. The frequency of the field can be adjusted to select nanowires with superior conductivity and lower trap density. 
In this work, flow-assisted DEP is used to create nanowire field effect transistors. Flow-assisted DEP has several advantages: it allows selection of nanowire electrical properties; control of nanowire length; placement of nanowires in specific areas; control of orientation of nanowires; and control of nanowire density in the device. 
The technique can be expanded to many other applications such as gas sensors and microwave switches. The technique is efficient, quick, reproducible, and it uses a minimal amount of dilute solution making it ideal for the testing of novel nanomaterials. Wafer scale assembly of nanowire devices can also be achieved using this technique, allowing large numbers of samples for testing and large-area electronic applications.

In this paper, flow assisted dielectrophoresis is demonstrated for the self-assembly of nanowire devices. The fabrication of a silicon nanowire field effect transistor is shown as an example.

Flusso-assistita dielettroforesi: Un metodo a basso costo per la realizzazione di dispositivi ad alte prestazioni soluzione-processable Nanowire

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape method or individual WS2 nanotubes by dispersing the suspension of WS2 nanotubes. The selected samples have been fabricated into devices by the use of the electron beam lithography and electrolyte is put on the devices. We have characterized the electronic properties of the devices under applying the gate voltage. In the small gate voltage region, ions in the electrolyte are accumulated on the surface of the samples which leads to the large electric potential drop and resultant electrostatic carrier doping at the interface. Ambipolar transfer curve has been observed in this electrostatic doping region. When the gate voltage is further increased, we met another drastic increase of source-drain current which implies that ions are intercalated into layers of WS2 and electrochemical carrier doping is realized. In such electrochemical doping region, superconductivity has been observed. The focused technique provides a powerful strategy for achieving the electric-filed-induced quantum phase transition.

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Here, we present a protocol to control the carrier number in solids by using the electrolyte.

Controllo campo elettrico degli stati elettronici in nanodispositivi2 WS di elettrolita Gating

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order surface acoustic wave (SAW) devices generate tremendous acceleration on their surface, up to 108 m/s2, in turn responsible for many of the observed effects that have come to define acoustofluidics: acoustic streaming and acoustic radiation forces. These effects have been used for particle, cell, and fluid manipulation at the microscale, although more recently SAW has been used to produce similar phenomena at the nanoscale through an entirely different set of mechanisms. Controllable nanoscale fluid manipulation offers a broad range of opportunities in ultrafast fluid pumping and biomacromolecule dynamics useful for physical and biological applications. Here, we demonstrate nanoscale-height channel fabrication via room-temperature lithium niobate (LN) bonding integrated with a SAW device. We describe the entire experimental process including nano-height channel fabrication via dry etching, plasma-activated bonding on lithium niobate, the appropriate optical setup for subsequent imaging, and SAW actuation. We show representative results for fluid capillary filling and fluid draining in a nanoscale channel induced by SAW. This procedure offers a practical protocol for nanoscale channel fabrication and integration with SAW devices useful to build upon for future nanofluidics applications.

We demonstrate fabrication of nanoheight channels with the integration of surface acoustic wave actuation devices upon lithium niobate for acoustic nanofluidics via liftoff photolithography, nano-depth reactive ion etching, and room-temperature plasma surface-activated multilayer bonding of single-crystal lithium niobate, a process similarly useful for bonding lithium niobate to oxides.

Fabbricazione di canali Nanoheight che incorporano l'atuazione delle onde acustiche superficiali tramite Litio Niobate per la Nanofluidica acustica

Controlled nanoscale manipulation of fluids is known to be exceptionally difficult due to the dominance of surface and viscous forces. Megahertz-order ...

Un metodo Standard e affidabile per fabbricare nanoelettronica bidimensionale

Riepilogo

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