Confecção Nanogaps por Nanoskiving

Resumo

A fabricação de eletricamente endereçável, high-aspect-ratio (> 1000:1) nanofios metálicos separados por intervalos de nanômetros individuais, seja através de camadas de sacrifício de alumínio e prata ou monocamadas auto-organizadas como modelos é descrito. Estas estruturas nanogap são fabricados sem uma sala limpa, ou quaisquer processos de foto-litografia de feixe de electrões ou por uma forma de extremidade litografia conhecido como nanoskiving.

Resumo

Há vários métodos de fabricação nanogaps com espaçamentos controlados, mas o controle preciso sobre o espaço sub-nanométrica entre dois eletrodos e gerando-los em prática ainda quantidades-é um desafio. A preparação dos eléctrodos nanogap utilizando nanoskiving, que é uma forma da aresta de litografia, é uma técnica simples, rápido e poderoso. Este método é um processo totalmente mecânico, que não inclui qualquer foto-litografia ou passos de feixe de electrões e não requer qualquer equipamento especial ou infra-estruturas, tais como salas limpas. Nanoskiving é usado para fabricar nanogaps electricamente endereçáveis ​​com controle de todas as três dimensões, a dimensão mais pequena dessas estruturas é definida pela espessura da camada de sacrifício (Al ou Ag) ou de monocamadas auto-montadas. Estes fios podem ser posicionados manualmente, transportando-os em gotas de água e são diretamente eletricamente endereçável; nenhuma outra litografia é necessário para conectá-los a umeletrômetro.

Introdução

Este artigo descreve a fabricação de eletricamente endereçáveis, nanofios de alto aspecto-ratio de ouro separados por intervalos de nanômetros único usando vácuo depositado alumínio e prata como camadas de espaçador de sacrifício para lacunas> 5 nm e monocamadas auto-organizadas (SAMs) de alkanedithiols para as lacunas tão pequenas quanto 1,7 nm. Nós fabricado estas nanoestruturas sem uma sala limpa, ou quaisquer processos de fotolitografia por seccionamento estruturas sanduíche de ouro, separadas por um espaçador sacrificial usando ultramicrótomo, uma forma de ponta conhecida como litografia nanoskiving. ^1-3 Este método é uma combinação da deposição de metal fino filmes e corte usando um ultramicrótomo. O principal passo na nanoskiving está cortando seções finas com um ultramicrótomo equipado com faca de diamante, que é ligado a um barco cheio de água para produzir lajes que são tão finas como ~ 30 nm. Ultramicrotomes são amplamente utilizados para a preparação de amostras finas para imagiologia óptica ou com elegerron microscopia e muitos dos mais experiência praticantes de ultramicrotomia vêm de um fundo biológico ou médico. Há vários métodos de fabricação nanogaps incluindo junções mecânicas break, ⁴ de litografia por feixe de elétrons ^5, eletroquímica ^{chapeamento, 6, 7, 8} eletromigração focada litografia por feixe de íons, ⁹ sombra de evaporação, ¹⁰ sondas de varredura e microscopia de força atômica, ¹¹ de litografia em fios , os governantes ¹² e molecular. ¹³ Todos estes métodos têm suas próprias características e aplicações, mas produzindo e dirigindo nanogaps tanto em números úteis e com um controle preciso sobre as dimensões do fosso continua a ser um desafio. Além disso, estes métodos têm elevados custos de funcionamento, que estão limitados à classe de materiais que podem sobreviver a processos de corrosão, e são limitados na resolução. Nanoskiving permite a rápida fabricação de nanofios eletricamente endereçáveis ​​com spacings de nanômetros de solteiro no bancada. Estamos interessados ​​na prototipagem rápida de nanoestruturas para a eletrônica molecular, para que os eletrodos nano-fabricados não requerem técnicas especializadas ou demorado; ¹⁴ uma vez por bloco é feita, ela pode produzir centenas de milhares de nanoestruturas, (série) em demanda. No entanto, a técnica não é limitada à SAM ou electrónica molecular e é um método geral para a preparação de um espaço entre duas nanoestruturas. Neste artigo é usar a prata, o alumínio, e SAM como camadas sacrificiais para produzir aberturas de diferentes tamanhos entre os nanofios de ouro, mas a técnica não se limita a estes materiais (ou nanofios metálicos). Os fios são de pick-and-place e são compatíveis com o alinhamento magnético, assim eles podem ser colocados em substratos arbitrárias. ¹⁵ Outra força nanoskiving é que ele proporciona o controle sobre todas as três dimensões. As dimensões das amostras são determinados pela topografia do substrato (X), oespessura do filme depositado (Y) e da espessura da laje produzido pelo ultramicrótomo (Z). Figura 1 resume o procedimento utilizado para produzir os nanofios com o espaçamento definido. Características de ouro (1-2 mm de comprimento) são depositados por meio de evaporação através de uma máscara de teflon sobre um substrato de silício. Epofix (Electron Microscopy Sciences) epoxi pré-polímero é vertida sobre toda a bolacha, que cobre as características de ouro, quando o epóxi está curada, o epoxi é separado da pastilha (isto é, através de modelo de stripping); as características do ouro permanece aderida ao epóxi . Para camadas sacrificiais metálicos, de alumínio ou de prata é evaporado com a espessura desejada através da máscara de Teflon com um deslocamento de 200-500 mM durante as características do ouro. Para a produção de sub-intervalos 5 nm, uma SAM é formada por submersão das características do ouro em uma solução etanólica a 1 mM do ditiol apropriado durante a noite. Um segundo conjunto de ouro (ou outro metal) é depositada, colocando a máscara de sombra sobre o teflonprimeira camada de características de ouro (coberto de prata, alumínio ou de um SAM) com um deslocamento de 200-500 uM no que diz respeito à primeira evaporação. Esse deslocamento eventualmente define a dimensão mais longa da abertura, e pode ser medida com precisão utilizando uma micro-régua antes de incorporar toda a estrutura em epóxi para o seccionamento. Em seguida, toda a estrutura está inserida em um bloco de epóxi, que poderia então estar pronto para o corte com o ultramicrótomo. O braço de amostra contém o bloco preparado com o avanço da faca de diamante no sentido em que os estribos que definem a espessura das placas. A secção resultante flutua na água no barco.

Protocolo

1. Preparação de um bloco de Seccionamento

1. Tratar um técnico de nível 3 "wafer de silício em um plasma de ar mais limpo por 30 segundos e, em seguida, expô-la a (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) vapor trichlorosilane por uma hora Nota:. Esta etapa é necessária antes de passo 1.4 para evitar a aderência do epoxi para a bolacha de silício.
2. Depositar uma camada de ouro (normalmente de 100 nm de espessura, que define a largura dos fios) através de um mestre de Teflon (que define o comprimento dos fios resultantes, 0,5 mm, 1 mm ou 1,5 mm) para o silício pré-tratada bolacha.
3. Cubra toda a bolacha com ~ 8,5 ml de Epofix epoxi pré-polímero e curar durante três horas a 60 ° C.
4. Template-tira a camada de ouro por descascar cuidadosamente o epóxi do wafer de tal forma que o ouro continua a ser anexado ao epóxi curada. Introduza a extremidade de uma lâmina de barbear, na interface entre a placa de silício e epoxi, e, em seguida, cuidadosamente descascar a camada de epóxia bolacha de silício. Devido à fraca adesão de ouro para o wafer de silício fluorado (passo 1.1) as características de ouro ficam aderidos à epoxy Nota:. Tenha cuidado para não quebrar o wafer de silício, caso contrário, as partículas de silício irá danificar a faca de diamante na etapa de corte.
5. A mesma máscara de Teflon é colocado novamente sobre as características do ouro, mas lateralmente deslocado por ~ 80% da dimensão mais curta das características do ouro e depositar uma camada de alumínio ou de prata através do mestre de Teflon. A espessura desta camada pode definir o espaçamento do nano-espaço entre os fios de ouro. O limite inferior depende do metal, mas é de aproximadamente 5 nm de alumínio e prata, abaixo do qual as camadas se tornam descontínuo Nota:. Este deslocamento acabará por definir o comprimento da sobreposição entre dois eletrodos de ouro e você pode medir isso com micro-governante .
6. Para lacunas abaixo de 5 nm: Mergulhar o molde de ouro-descascado em epóxi numa solução 1 mM de um alkanedithiolem etanol (ou qualquer outro solvente que não incham o epóxi) durante a noite numa câmara fechada que é purgada com azoto (para mitigar a formação espontânea de dissulfuretos). (Neste artigo, usamos-dodecanedithiol 1,12, 1,14, ou 1,16 tetradecanedithiol-hexadecanedithiol para produzir lacunas de várias larguras inferiores a 3 nm.) Remova o modelo despojado substrato de ouro-on-epoxy do SAM-forming solução. Lavar com etanol e seca-se com azoto antes de se secar a 60 durante 2 min.
7. Se for utilizada uma SAM, volta colocar a máscara sobre o substrato de Teflon epoxi mas lateralmente deslocado por ~ 80% da dimensão mais curta das características do ouro. Se usar um metal, a máscara já está em posição após a etapa 1.5, de modo a não alterar a posição da máscara depois da deposição do óxido de alumínio ou de prata.
8. Depositar uma segunda camada de ouro ou de qualquer outro metal, através da máscara. Esta camada irá tipicamente ser composta pelo mesmo metal da espessura que o primeiro (100 nm de espessura, neste caso).
9. Removera máscara de Teflon, tomando cuidado para não arranhar as características, o que resultará em nanofios quebrados.
10. Re-incorporar todo o substrato em Epofix pré-polímero (~ 8,5 ml) e curá-lo durante pelo menos três horas a 60.
11. Cortar os recursos, utilizando uma serra de joalheiro (em ~ 4 x 10 peças mm) e coloque cada um dentro de um poço em separado em um polietileno'' caixão'' molde micrótomo.
12. Encher o molde com Epofix pré-polímero, e curá-la durante a noite a 60 ° C.

2. Seccionamento

1. Remover um bloco a partir do molde de polietileno e montá-lo no porta-amostras.
2. Fixe o suporte de amostras para o acessório de corte e montá-lo no ultramicrótomo.
3. Limpar uma lâmina de barbear com etanol para remover o lubrificante e os fragmentos de metal e inspeccionar o bordo da lâmina de barbear sob a estereoscópio do ultramicrótomo. Quaisquer fragmentos remanescentes irá danificar a faca de diamante durante o corte. Cortar o bloco de acordo com a largura da lâmina de diamante (we uso 2 mm ou 4 milímetros Diatome Ultra 35 °) em forma de trapézio (porque é a forma mais estável para o corte) Nota:. alguns ultramicrotomes usar aparar anexos que montar o braço de corte, mas alcançar melhores resultados com lâminas de barbear .
4. Alinhar a ponta de uma faca de vidro paralelos à aresta inferior da face do bloco.
5. Iniciar pré-corte com a ultramicrótomo (usamos uma Leica EMUC-6), equipado com uma faca de vidro para definir uma superfície lisa sobre a face do bloco.
6. Para fabricar uma estrutura metálica, substituir a faca de vidro com uma faca de diamante, a re-alinhá-lo, e a secção de bloco, quer de 100 nm a 1 mm / seg ou de 50 nm a 0,6 mm / seg. Epofix secções são estáveis ​​até ~ 30 nm Nota: uma verificação fácil das espessuras das secções é a sua cor, que varia previsível em função da espessura e não depende da resina, que foi utilizado, cartões de referência estão disponíveis.. ¹⁶
7. Recolher as secções de epóxi que contêm as estruturas a partir da superfície da água no reservatório da faca, quer individualmente utilizando uma ansa perfeito (Electron Microscopy Sciences) ou como fitas de várias secções para um SiO 2 (por MEV) ou SiO2 (por aparelhos medições) do substrato, colocando substrato sob a superfície da água e elevando-o lentamente.
8. Secam-se as secções, a 60 ° C durante 3 h, para melhorar a sua aderência ao substrato.
9. Para cinzas o epóxi, expor as amostras de plasma a um oxigénio (15 minutos a 1 mbar é suficiente para remover todos os vestígios de epóxi de 100 nm ou 50 secções de espessura) Nota:. Se fabricar nanoestruturas para medições eléctricas, este passo deve ser realizada após o Passo 4.

3. Gravura a camada de sacrifício

1. Para o alumínio: Coloque as seções que contêm alumínio em uma solução aquosa 2 M de HCl por 2 horas. Para a prata: expor as seções de plasma de oxigênio para 10. min Nota: a selecção de materiais permite que seja molhada de gravura (com HCl) ou de gravura seca (utilizando plasma de oxigénio), no entanto a prata pode ser removido por ataque químico húmido bem.
2. Para SAMs: tratamento Plasma grava parcialmente os SAMs, mas não tiveram sucesso em nossos esforços para caracterizar em que grau.

4. Medidas Elétricas

1. Seções epóxi coloque sobre um substrato de SiO2 que tem sido cuidadosamente limpos (por exemplo, usando uma solução de piraña) e seque-as (etapas 2.7 e 2.8).
2. Monte o substrato sob um microscópio de luz ou o estereoscópio anexado ao ultramicrótomo.
3. Aplicar gotas de pasta de prata (ou tinta de carbono) em duas extremidades dos fios em cada seção. Estas estruturas metálicas embutidas será visível quer como uma linha preta (a partir da interface de ouro / epoxi) ou, no caso de estruturas de ouro mais espessas (a partir dos passos de deposição), directamente visíveis. Em qualquer caso, as gotas devem ser aplicadossuficientemente longe do centro de curto as nano-lacunas.

Resultados

Preparamos estruturas nanogap incorporando duas camadas sacrificiais metálicos como o espaçador: alumínio e prata. Nós gravado dessas camadas para se obter o desejado lacunas de espessuras. Conforme descrito na seção de protocolo, após o corte foram expostas as estruturas que contêm prata para plasma de oxigênio, e que contêm alumínio para HCl aquoso. Figura 2 mostra microscopia eletrônica de varredura (MEV) dos nanofios resultantes com a separação em escala nanométrica. Em ambos os casos...

Discussão

Neste trabalho, demonstrou a fabricação de estruturas nanogap usando nanoskiving. Este método experimental simples, permite a produção de nanoestruturas na taxa de cerca de uma por segundo, com o controle de todas as três dimensões. -A dimensão do intervalo é definida por incorporação quer camadas sacrificiais de alumínio e prata ou monocamadas auto-montadas de ditióis (que proporciona uma resolução tão pequena quanto um). As nanoestruturas podem ser posicionados à mão sobre qualquer substrato arbitrá...

Materiais

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.