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

この作品が no. の契約の下で台湾科学評議によって支えられました。ほとんどの 105-2112-M-003-016-MY3。この作品は、一部、全国ナノデバイス研究所、国立台湾大学の電気工学の電子ビーム研究所によって支えられたまた。

1. 2D の準ヘテロ接合トランジスタ作製プロセス
<ol><li>商業 c 面サファイア基板を準備します。<ol>
<li>アセトンで全体片面研磨サファイア (2 インチ) を洗います。</li>
		<li>イソプロピル アルコールのサファイア基板をすすいでください。</li>
	</ol></li>
	<li>MoS2ホット壁炉 CVD を用いたサファイア基板上に成長します。<ol>
<li>モリブデンの三酸化 (MoO3) 粉末石英ボートの 0.6 g 加熱である炉のゾーンの中心。置くサファイア基板下流横に MoO3粉末を含む石英ボート。</li>
		<li>炉の上流側で独立した石英ボートの硫黄 (S) 粉末を準備します。反応中に 190 ° c の温度を維持します。</li>
		<li>アルゴンを使用 (Ar = 40 Torr 70 sccm) サファイア基板に 750 ° C にセンター ゾーンを加熱しながら S と MoO3蒸気をもたらすため気流</li>
		<li>750 ° C、15 分間の望ましい成長温度に到達した後加熱ゾーンを維持し、自然室温に炉を冷やします。</li>
	</ol></li>
	<li>EBL を実行します。 注: 薄い Au 約 5 nm だったサファイア基板上の EBL 過程放電用スパッタリングにより作製しました。<ol>
<li>光学顕微鏡、MoS2単分子膜フレークの観察場所の領域を使用して特定し、設計ソフトウェア (AutoCAD) を使用して、特定の領域のストライプ パターンのレイアウトを設計します。</li>
		<li>スピン コート フォトレジスト (PR)、たとえばポリメタクリル酸メチル (PMMA) または 60 2000 rpm でサンプル上に P015 s (室温)。スピン コーティング後 PR がサンプル全体をカバーしていることを確認します。</li>
		<li>100 ° C、90 時 (ソフト焼く) サンプルの熱 PR に溶媒を蒸発させるし、密着性を高めるために s。</li>
		<li>1.3.1 の手順でパターンのレイアウトを特定のファイルに変換 (例: GDS ファイル)、EBL ソフトウェアでそれをアップロードします。</li>
		<li>レイアウトの線の太さに基づいて電子ビームの理想的な投与量を決定します。 注: 線幅 1 μ m よりも狭く、電子ビームの理想的な投与量が 110 μ/cm2。投与量は、1 に 5 μ m 線幅 100 μ/cm2線幅が 5 μ m よりも広い、線量は 80 μ/cm2です。</li>
		<li>電子ビームにサンプルの公開を開始します。</li>
		<li>定在波の影響を低減するためにサンプルに暴露後の露光後ベーク (PEB) を適用します。90 120 ° C でサンプルを熱 s。</li>
		<li>開発者としてテトラメチル アンモニウム (TMAH) 水酸化 2.38% を使用します。80 米を洗って、10 の脱イオン水の 200 mL の TMAH の TMAH をサンプルに浸す s。</li>
		<li>光学顕微鏡によるパターンはよく発達して、調べてください。</li>
		<li>広報熱 90 110 ° C でサンプルの余分な水分を取り除くためにハード焼くを行う s。</li>
	</ol></li>
	<li>30 の 50 W 酸素 (O2) プラズマ エッチング (1stエッチング) を用いたストライプ構造を定義 s を 2 分し、アセトン 50 mL を使用して削除 PR。</li>
	<li>タングステン インジウムガリウムセレン (WSe2) cvd 法を用いたサファイア基板上の既に既存の MoS2ストライプ間に WSe2層の優先成長になります、対象の場所に成長します。<ol>
<li>石英ボートのタングステン三酸化 (WO3) 粉末 0.6 g 加熱である炉のゾーンの中心。置くサファイア基板下流横に WO3粉末を含む石英ボート。</li>
		<li>炉の上流側で独立した石英ボートのセレン (Se) 粉末を準備します。反応中に 260 ° c の温度を維持します。</li>
		<li>Ar/H2を使用 (Ar 90 sccm、H2を = = 6 sccm、20 Torr) 925 ° c. にセンター ゾーンを加熱しながら、サファイア基板に Se および WO3蒸気をもたらすため気流</li>
		<li>925 ° C、15 分間の望ましい成長温度に到達した後加熱ゾーンを維持し、自然室温に炉を冷やします。</li>
	</ol></li>
	<li>金属パッド配列とアライメント マークを作製します。<ol>
<li>フォトリソ パターンニング技術マークの金属パッドの配列と配置のパターンをオーバーレイします。</li>
		<li>預金 20 nm/60 nm Ti/Au 電子銃蒸発器を用いています。 メモ: 金は金属パッドの酸化を避けるために使用されます。</li>
		<li>準備し、PR を溶解し、リフトオフを実行するアセトン 100 mL にサンプルが水没します。振るし、金属パッドが明らかになるまで、光学顕微鏡を介して全体のプロセスを監視しながら、アセトンを吹き飛ばします。</li>
	</ol></li>
	<li>MoS2- WSe2ヘテロ接合の上にリボン形状パターンをオーバーレイする別の EBL プロセスを実行します。<ol>
<li>MoS2- WSe2ヘテロ接合でターゲットの場所と光学顕微鏡を用いたアライメント マーク間座標の変位を測定し、(AutoCAD) ソフトウェアを使用してこれらの測定に基づいてリボン状のレイアウトをデザインします。</li>
		<li>たとえば PMMA や P015、60 の 2000 rpm でサンプルの上に、スピンコート PR s (室温)。スピン コーティング後 PR がサンプル全体をカバーしていることを確認します。</li>
		<li>100 ° C、90 時 (ソフト焼く) サンプルの熱 PR に溶媒を蒸発させるし、密着性を高めるために s。</li>
		<li>1.7.1 の手順でパターンのレイアウトを特定のファイルに変換 (例: GDS ファイル)、EBL ソフトウェアでそれをアップロードします。</li>
		<li>レイアウトの線の太さに基づいて電子ビームの理想的な投与量を決定します。 注: 線幅 1 μ m よりも狭く、電子ビームの理想的な投与量が 110 μ/cm2。投与量は、1 に 5 μ m 線幅 100 μ/cm2線幅が 5 μ m よりも広い、線量は 80 μ/cm2です。</li>
		<li>サファイア基板のアライメント マークの位置は、レイアウトでの対応を一致するように EBL マシンを設定します。</li>
		<li>電子ビームにサンプルの公開を開始します。</li>
		<li>定在波の影響を低減するためにサンプルに暴露後の能の両面を適用します。90 120 ° C でサンプルを熱 s。</li>
		<li>開発者として 2.38 %tmah を使用します。10 の 200 mL の脱イオン水で、TMAH を洗って、80 s. の TMAH をサンプルに浸す s。</li>
		<li>光学顕微鏡によるパターンはよく発達して、調べてください。</li>
		<li>広報熱 90 110 ° C でサンプルの余分な水分を取り除くためにハード焼くを行う s。</li>
	</ol></li>
	<li>O2プラズマ エッチング (2ndエッチング) を使用して、リボンの形をした横方向ヘテロ接合を定義し、アセトンで PR を削除します。</li>
	<li>Ti/Au の金属電極のパターンをオーバーレイする EBL プロセスを実行します。<ol>
<li>MoS2- WSe2ヘテロ接合でターゲットの場所と光学顕微鏡を用いたアライメント マーク間座標の変位を測定し、(AutoCAD) ソフトウェアを使用してこれらの測定に基づいて金属電極のレイアウトをデザインします。</li>
		<li>たとえば PMMA や P015、60 の 2000 rpm でサンプルの上に、スピンコート PR s (室温)。スピン コーティング後 PR がサンプル全体をカバーしていることを確認します。</li>
		<li>100 ° C、90 時 (ソフト焼く) サンプルの熱 PR に溶媒を蒸発させるし、密着性を高めるために s。</li>
		<li>1.9.1 の手順でパターンのレイアウトを特定のファイルに変換 (例: GDS ファイル)、EBL ソフトウェアでそれをアップロードします。</li>
		<li>レイアウトでは、金属線の太さに基づいて電子ビームの理想的な投与量を決定します。 注: 金属の線幅 1 μ m よりも狭く、電子ビームの理想的な投与量が 110 μ/cm2投与量は、1 に 5 μ m 線幅 100 μ/cm2線幅が 5 μ m よりも広い、線量は 80 μ/cm2です。</li>
		<li>サファイア基板のアライメント マークの位置は、レイアウトでの対応を一致するように EBL マシンを設定します。</li>
		<li>電子ビームにサンプルの公開を開始します。</li>
		<li>定在波の影響を低減するためにサンプルに暴露後の能の両面を適用します。90 120 ° C でサンプルを熱 s。</li>
		<li>開発者として 2.38 %tmah を使用します。10 の 200 mL の脱イオン水で、TMAH を洗って、80 s. の TMAH をサンプルに浸す s。</li>
		<li>光学顕微鏡によるパターンはよく発達して、調べてください。</li>
		<li>広報熱 90 110 ° C でサンプルの余分な水分を取り除くためにハード焼くを行う s。</li>
	</ol></li>
	<li>Ti/Au 金属蒸着を行い、リフトオフ<ol>
<li>100 未満の厚さで電子銃蒸発器を用いて Ti/Au 金属を預金 nm、それ以外の場合、それはリフトオフ法による PR と不要な金属を削除することは困難になります。</li>
		<li>準備し、PR を溶解し、リフトオフを実行するアセトン 100 mL にサンプルが水没します。振るし、金属線と左のパッドだけがあるまで光学顕微鏡を介して全体のプロセスを監視しながら、アセトンを吹き飛ばします。</li>
	</ol></li>
	<li>1.9 で EBL プロセスの実行が、Ti/Au ではなく Pd/Au 電極パターンをオーバーレイします。</li>
	<li>1.10 で金属成膜・ リフトオフ プロセスの実行が、Ti/Au ではなく Pd/Au を入金します。</li>
</ol>2. 2D 背面ゲート トランジスタ作製プロセス
<ol><li>バックゲート付き Si/SiO2基板アライメント マークを準備します。<ol>
<li>自家製や商業の SiO2/Si 基板を準備します。</li>
		<li>フォトリソグラフィ法や EBL パターニング技術を使ってアライメント マークを定義します。</li>
		<li>ターゲット領域の深さの合計 1000 nm に到達するまで SiO2/Si 基板の反応性イオン エッチング (RIE) を実行し、形成されたアライメント マークを明らかにする O2プラズマによる PR を削除します。</li>
		<li>パターンニング技術光リソグラフィを用いた金属パッド配列のパターンをオーバーレイします。</li>
		<li>預金 20 nm/60 nm Ti/Au 電子銃蒸発器を用いています。 メモ: 金は金属パッドの酸化を避けるために使用されます。</li>
		<li>準備し、PR を溶解し、リフトオフを実行するアセトン 100 mL にサンプルが水没します。手ふれや光学顕微鏡による金属パッドが明らかになるまで全体のプロセスを監視しながら、アセトンを吹き飛ばします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>熱い壁炉でサファイア基板上の CVD の MoS2を実行します。<ol>
<li>石英ボートの MoO3粉末 0.6 g 加熱である炉のゾーンの中心。置くサファイア基板下流横に MoO3粉末を含む石英ボート。</li>
		<li>炉の上流側で独立した石英ボートで S パウダーを準備します。反応中に 190 ° c の温度を維持します。</li>
		<li>アルゴンを使用 (Ar = 40 Torr 70 sccm) サファイア基板に 750 ° C にセンター ゾーンを加熱しながら S と MoO3蒸気をもたらすため気流</li>
		<li>750 ° C、15 分間の望ましい成長温度に到達した後加熱ゾーンを維持し、自然室温に炉を冷やします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>バックゲートの SiO2/Si 基板にサファイアから MoS2を転送します。<ol>
<li>30 の 3500 の rpm の回転速度でスピン コート PMMA MoS2フィルムの上に s。</li>
		<li>MoS2/sapphire を焼く PMMA 膜を強化するために 3 分の 120 ° C でサンプル。</li>
		<li>50 mL のアンモニア溶液 (14.5%) に MoS2/Sapphire サンプルを 2 h サファイア基板から MoS2フィルムを分離するに約 30 分間浸漬します。</li>
		<li>映画をピックアップし、SiO2/Si 基板にそれを転送します。</li>
		<li>MoS2と SiO2層の密着性を高めるために MoS2/SiO2/Si サンプルを焼きます。1 時間に約 30 分の 120 ° C でサンプルを加熱します。</li>
		<li>PMMA を 2 時間に約 30 分間アセトン 30 mL で洗浄することにより削除します。</li>
		<li>イソプロピル アルコールをサンプルをすすいで乾燥爆破する窒素を使用します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>EBL を実行します。 注: Si は導電性何とか EBL プロセス中に SiO2/Si 基板上に堆積薄膜の Au はありません。<ol>
<li>ターゲットの場所の座標の変位測定と配置は光学顕微鏡を使用してマークし、デザイン ソフトウェアを使用して金属電極のパターン レイアウト設計これらの測定に基づいています。 注: 金属電極は MoS2サンプルのターゲット ポイントを SiO2/Si 基板の金属パッドに接続します。</li>
		<li>たとえば PMMA や P015、60 の 2000 rpm でサンプルの上に、スピンコート PR s (室温)。PR がサンプル全体をカバーしていることを確認します。</li>
		<li>100 ° C、90 時 (ソフト焼く) サンプルの熱 PR に溶媒を蒸発させるし、密着性を高めるために s。</li>
		<li>2.4.1 の手順でパターンのレイアウトを特定のファイルに変換 (例: GDS ファイル)、EBL ソフトウェアでそれをアップロードします。</li>
		<li>レイアウトでは、金属線の太さに基づいて電子ビームの理想的な投与量を決定します。 注: 金属の線幅 1 μ m よりも狭く、電子ビームの理想的な投与量が 110 μ/cm2投与量は、1 に 5 μ m 線幅 100 μ/cm2線幅が 5 μ m よりも広い、線量は 80 μ/cm2です。</li>
		<li>Si/SiO2基板のアライメント マークの位置は、レイアウトでの対応を一致するように EBL マシンを設定します。</li>
		<li>電子ビームにサンプルの公開を開始します。</li>
		<li>定在波の影響を低減するためにサンプルに暴露後の能の両面を適用します。90 120 ° C でサンプルを熱 s。</li>
		<li>開発者として 2.38 %tmah を使用します。80 米を洗って、10 の脱イオン水の 200 mL の TMAH の TMAH をサンプルに浸す s。</li>
		<li>光学顕微鏡によるパターンはよく発達して、調べてください。</li>
		<li>広報熱 90 110 ° C でサンプルの余分な水分を取り除くためにハード焼くを行う s。</li>
	</ol>
</li>
	<li>Au 金属蒸着を行い、リフトオフ<ol>
<li>Au 金属電子銃蒸発器を用いた 100 未満の厚さを預金 nm、それ以外の場合、それはリフトオフ法による PR と不要な金属を削除することは困難になります。</li>
		<li>準備し、PR を溶解し、リフトオフを実行するアセトン 100 mL にサンプルが水没します。振るし、金属線と左のパッドだけがあるまで光学顕微鏡を介してプロセスを監視しながら、アセトンを吹き飛ばします。</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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著者が明らかに何もありません。

この記事でナノメートル スケールでの 2 D の資料に基づいて新しいエレクトロニクスの加工手順の詳細を説明します。各アプリケーションのサンプルの準備手順は、互い違いを持っている、ので、重複プロセスはプロトコルとして扱われました。電子ビーム材料場所決定と組み合わせるし、金属電極の定義は従ってここのプロトコルとして機能します。記載されているデバイスの 2 つのタイ?...

以来過去数十年、人類発生しています高速トランジスタと、その結果、集積回路 (Ic) のトランジスタ数の急激な増加のサイズのスケール。これはシリコン ベース相補型金属酸化物半導体 (CMOS) 技術1の連続的な進行状況を維持します。また、サイズと作製したデバイスのパフォーマンスのこの現在の傾向は、まだトラック上のパフォーマンスと同様に、電子チップの中のトランジスタの数が約 2 年間2を 2 倍を示すムーアの法則です。CMOS トランジスタのほとんどは、ほぼすべての市場となり、人間の生活の不可欠な部分で利用可能な電子デバイスはあります。このため、次のムーアの法則のトラック メーカーがプッシュされているチップのサイズとパフォーマンスの改善の継続的な需要があります。
残念なことに、ムーアの法則は、小さなエリア2に多くのシリコン回路を圧迫、発生する熱の量のために終わりに近づいていることに表示されます。これで、同じを提供することができます材料の新しいタイプいない場合より、シリコンとしてと同時に、パフォーマンスは比較的小規模で実装できます。最近、新しい有望な材料多くの材料科学研究の対象となっています。一次元 (1 D) 炭素ナノチューブ3,4,5,6、7、2 D グラフェン8,9,10,などの素材11,12、および遷移金属ダイカルコゲナイド (Tmd)13,14,15,16,17,18, として使用することができます良い候補であります。シリコン ベース CMOS の代わりにし、ムーアの法則のトラックを続行します。
小型デバイスの作製には、注意に正常に進むリソグラフィと金属電極の定義など他の加工法による材料の場所が必要です。だから、本稿で紹介した方法は、この必要性に対処するために設計されました。伝統的な半導体作製技術19と比較して、本稿で紹介した方法は材料の場所を見つけるの面でより多くの注意を必要とする小型デバイスの開発に合わせて装着。このメソッドの目的は、確実に 2D 背面ゲート トランジスタなど Q Hbt、標準的なプロセスを使用して、2次元ナノマテリアル デバイスを作製することです。これは将来の高度なナノスケール デバイスの生産に向けて道として将来のナノデバイスの開発のためのプラットフォームとして使用できます。
進むセクションでは、2 D 材料ベースのデバイス、すなわち、Q HBT と 2D 背面ゲート トランジスタの作製プロセスの詳細について説明します。電子ビーム材料場所決定と組み合わせるし、金属電極定義プロトコルを構成は、上記の両方のプロセスのために必要なので。パート 1 は、Q Hbt20; ステップバイ ステップ作製プロセスをについて説明しますパート 2 がリフトオフ21日の記事で完全に示されている転送から化学気相成長法 (CVD) 二硫化モリブデン (MoS2) トランジスタのバックゲートを取得する普遍的な方法を示します。(図 1) に詳細なプロセスの流れを示します。

<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

2 次元 (2 D) 材料は、彼らのユニークな特性と潜在的なアプリケーションのための巨大な注目を集めています。2 D マテリアルのウエハ スケール合成はまだ初期の段階では、科学者は伝統的な半導体技術関連の研究に頼る完全にできません。電極の定義に資料の検索から繊細なプロセスも制御する必要があります。この記事で普遍的製造プロトコルはトランジスタ (Q HBT)、および 2D 背面ゲート トランジスタを示したナノスケールエレクトロニクス ・ デバイスと、2次元準-ヘテロ接合バイポーラなどの製造に必要な。このプロトコルには、材料の位置、電子線描画装置 (EBL)、金属電極の定義の決定が含まれているら。また、これらのデバイスの作製手順のステップ バイ ステップの物語を提示します。さらに、結果は、再現性の高い高性能を達成、作製したデバイスの各表示します。この作品は 2D ナノエレクトロニクスを準備するためのプロセス フローの包括的な説明を明らかに、この情報にアクセスし、将来のエレクトロニクスに向けた道を開く研究グループができます。

デバイスの製造プロセスは、2 D 材料デバイスの開発を含む対応する著者の研究のいくつかに適用されています。この部分でこれらの研究のいくつかの結果は、上記で説明したプロトコルの有効性を示すため掲載されています。横の WSe2単分子膜-MoS2 Q HBT20の最初の例として選択されています。プロトコルの詳細な標準デバイス製造プ?...

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A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics

記事は、将来低次元ナノエレクトロニクス研究開発の標準的な信頼性の高い施工を導入を目指します。

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

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

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Engineering

9.5K ビュー.  National Taiwan Normal University. 記事は、将来低次元ナノエレクトロニクス研究開発の標準的な信頼性の高い施工を導入を目指します。

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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.

Nanoskivingによるナノギャップを作製

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

化学

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.

3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

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

工学

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.

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

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.

任意の基板上の垂直配向小分子有機ナノワイヤーの超高密度アレイ

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.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

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.

アトミックトレーサブルナノ構造作製

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.

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

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

生物工学

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.

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤ デバイス作製のための低コストの方法

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.

電解質ゲートによって WS2ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

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.

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

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

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

要約

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Nanoskivingによるナノギャップを作製

3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

任意の基板上の垂直配向小分子有機ナノワイヤーの超高密度アレイ

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

アトミックトレーサブルナノ構造作製

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤデバイス作製のための低コストの方法

電解質ゲートによって WS₂ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

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Nanoskivingによるナノギャップを作製

3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

任意の基板上の垂直配向小分子有機ナノワイヤーの超高密度アレイ

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

アトミックトレーサブルナノ構造作製

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤ デバイス作製のための低コストの方法

電解質ゲートによって WS2ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

音響ナノ流体工学のための表面音響波作動を組み込んだナノ高さチャネルの作製

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤデバイス作製のための低コストの方法

電解質ゲートによって WS₂ナノデバイスにおける電子状態の電界制御