Изготовление нанометрических зазоров по Nanoskiving

Резюме

Изготовление электрически адресно, высокое удлинение (> 1000:1) металлические нанопроволоки разделенные интервалами одного нанометра, используя либо жертвенных слоев алюминия и серебра или самоорганизующихся монослоев в качестве шаблонов описана. Эти нанометрических зазоров структуры изготавливаются без чистой комнаты или любой фотографии или электронно-лучевым литографических процессов форма края литографии известного как nanoskiving.

Аннотация

Есть несколько способов изготовления нанометрических зазоров с контролируемым расстояния, но точный контроль над субнанометровым расстояние между двумя электродами и их генерации в практических количествах-прежнему сложным. Подготовка нанометрических зазоров электродов использованием nanoskiving, которая является одной из форм краю литография, это быстрый, простой и мощный метод. Этот способ полностью механический процесс, который не включает в себя фото-или электронно-лучевой литографии и шаги не требует специального оборудования или инфраструктуры, такой как чистые номера. Nanoskiving используется для изготовления электрически адресуемого нанометрических зазоров с контролем всех трех измерениях; наименьший размер этих структур определяется толщина удаляемого слоя (Al или Ag) или самоорганизующихся монослоев. Эти провода можно вручную позиционируется транспортировки их на капли воды и непосредственно электрически адресацией; не дальше, литографии не требуется подключить их кэлектрометра.

Введение

Эта статья описывает изготовление электрически адресно, высокое удлинение нанопроводов золота разделенные интервалами одного нанометра использованием вакуумного хранения алюминия и серебра как жертвенный прослоек для шва> 5 нм и самоорганизующихся монослоев (ЗРК) из alkanedithiols для зазоров размером до 1,7 нм. Мы изготовлены эти наноструктуры без чистой комнаты или любой фотолитографическая процессов путем разделения на секции сэндвич-структуры золото, разделенных жертвенный прокладка использованием ультрамикротоме, форма кромки литографии известный как nanoskiving. ^1-3 Данный способ представляет собой комбинацию осаждения тонких металлических фильмы и секционирования использованием ультрамикротоме. Основным шагом в nanoskiving нарезка тонких срезов с ультрамикротоме оснащен алмазного ножа, который прикреплен к лодке, полной воды для производства плит, тонкие, как ~ 30 нм. Ультрамикротомов широко используются для получения тонких образцов для изображений с оптическим или выбратьРон микроскопии и многие из наиболее опыт практиков ultramicrotomy приходят из биологического или медицинского образования. Есть несколько способов изготовления нанометрических зазоров, включая механические соединения перерыва, ⁴ электронно-лучевой литографии ^5, электрохимических ^{покрытий, 6, 7} электромиграцию, ⁸ целенаправленной лучевой литографии ионная, ⁹ тени испарения, ¹⁰ сканирующей зондовой и атомно-силовой микроскопии, ¹¹ на-проводной литографии , ¹² и молекулярной правителей. ¹³ Все эти методы имеют свои особенности и приложений, но производство и решении нанометрических зазоров как в Полезные телефоны с точным контролем над размерами разрыв остается проблемой. Кроме того, эти методы имеют высокие эксплуатационные расходы, они ограничены к классу материалов, которые могут выживать травления и ограничены в разрешение. Nanoskiving позволяет быстро изготовлении электрически адресацией нанопроволок spacinGS одного нанометра на настольные. Мы заинтересованы в быстрое прототипирование наноструктур для молекулярной электроники, для которых нано-электродов изготовлены не требуют специализированных или трудоемких методов; ¹⁴ раз в блок выполнен, он может производить сотни тысяч наноструктур (серийно) на спроса. Однако, этот метод не ограничивается SAMs или молекулярной электроники и является общим способом получения зазор между двумя наноструктур. В данной работе использовать серебро, алюминий и ЗРК как временные слои, чтобы произвести зазоров различных размеров между золотом нанопроводов, но эта методика не ограничивается этими материалами (или в металлической нанопроволоки). Провода пик-н-место и совместимы с магнитным выравниванием, таким образом, они могут быть размещены на произвольных подложках. ¹⁵ Другой сильной nanoskiving том, что она позволяет контролировать всех трех измерениях. Размеры образцов определяются топографию подложки (X)толщины осажденной пленки (Y) и толщины сляба производства ультрамикротоме (Z). 1 приведена процедура, используемая для получения нанопроводов с определенным интервалом. Золото функций (1-2 мм в длину) оседают на испарение через маску тефлон на кремниевую подложку. Epofix (электронная микроскопия наук) эпоксидных форполимера выливают на всей пластине, охватывающий золото особенностей, когда эпоксидная смола затвердеет, эпоксидные отделена от пластины (т.е. через шаблон зачистки), золото особенности остаются приклеен к эпоксидной . Для металлических временные слои, алюминий или серебро выпаривали с желаемой толщины через маску тефлон со смещением 200 - 500 мкм на золото особенности. Для получения суб-5 пробелов нм SAM образуется путем погружения золото функций в 1 мМ этанольным раствором соответствующего дитиола ночь. Второй набор золото (или другого металла) осаждают путем размещения маски тефлон теньпервый слой золота функций (покрытый серебро, алюминий или SAM) со смещением 200 - 500 мкм по отношению к первому испарения. Это смещение будет в конечном итоге определить длинный размер зазора, и она может быть точно измерено с помощью микро-линейки до встраивания всей структуры в эпоксидных для секционирования. Затем вся конструкция встроена в блок эпоксидной которая затем может быть готова для секционирования с ультрамикротоме. Образец рукой удерживает подготовленной блок, как нож алмаз продвигается к его контролируемом шагов, которые определяют толщину плиты. Полученное раздел плавает на воде в лодке.

протокол

1. Подготовка блока для секционирования

1. Лечить технической чистоты 3 "кремниевую пластину в плазме воздушного фильтра в течение 30 секунд, а затем подвергать его воздействию (тридекафтор-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) трихлорсилана пар в течение одного часа. Примечание: Этот шаг необходим, до шаг 1,4 предотвратить эпоксидные от присоединения к кремниевой пластине.
2. Депозит слоем золота (обычно 100 нм толщины, который определяет ширину провода) через тефлоновый мастер (который определяет длину результирующей проводов; 0,5 мм, 1 мм или 1,5 мм) на предварительно обработанный кремнием пластины.
3. Покройте всю пластину с ~ 8,5 мл Epofix эпоксидной форполимере и вылечить в течение трех часов при температуре 60 ° C.
4. Шаблон-лишить золото слой тщательно шелушение эпоксидные от пластины таким образом, что золото остается прикрепленной к отвержденной эпоксидной смолы. Вставьте край лезвия бритвы на границе между кремниевой пластины и эпоксидной, а затем аккуратно очистить от слоя эпоксидногокремниевой пластины. Из-за плохой адгезии золота фторированных кремниевой пластины (шаг 1.1) золота особенности остаются придерживался эпоксидные. Примечание: Будьте осторожны, чтобы не сломать кремниевой пластины, в противном случае частицы кремния повредит алмазного ножа в секционирования шаг.
5. То же маска тефлон помещают обратно на золото особенности, но смещены в боковом направлении на ~ 80% самого короткого размера золото особенности и нанесения слоя алюминия или серебра через мастер тефлона. Толщина этого слоя будет определять расстояние между нано-зазора между золотыми проводами. Нижний предел зависит от металла, но ~ 5 нм, алюминий и серебро, ниже которой слои становятся прерывистыми. Примечание: Это смещение будет в конечном итоге определить длину перекрытия между двумя электродами, золото и можно измерить с микро-линейка .
6. Для зазоров ниже 5 нм: Погрузите шаблонов упрощенной золота на эпоксидной в 1 мМ раствора alkanedithiolв этаноле (или любой растворитель, который не набухает эпоксидной) в течение ночи в закрытой камере, который продувают азотом (для смягчения спонтанное образование дисульфидов). (В данной работе мы используем 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol или 1,16-hexadecanedithiol появлении зазоров различной ширины ниже 3 нм.) Снимите шаблон-раздел Золото на эпоксидной подложки от SAM-формирования решение. Промойте его с этанолом и высушите ее азотом до сушки при 60 в течение 2 мин.
7. При использовании SAM, поместите обратно маска тефлон на эпоксидной подложки, но смещены в боковом направлении на ~ 80% самого короткого размера золото особенности. При использовании металла, маска уже находится в положении после шага 1,5, так что не изменить положение маски после осаждения алюминий или серебро.
8. Депозит второй слой золота или любого другого металла через маску. Этот слой обычно состоит из того же металла, при толщине в качестве первого (100 нм толщиной в данном случае).
9. УдалениеМаска тефлон, стараясь не поцарапать функции, что приведет к сломанной нанопроводов.
10. Повторно вставлять всю подложку в Epofix форполимере (~ 8,5 мл) и вылечить его не менее трех часов при температуре 60.
11. Разрежьте признаками из с помощью пилы ювелирного (в ~ 4 х 10 мм штук) и поместите каждую в отдельный хорошо в полиэтиленовый гроба'''' микротоме плесени.
12. Заполните форму с Epofix форполимере, и вылечить его в течение ночи при 60 ° C.

2. Секционирование

1. Удалить блок из полиэтилена форму и установите его в держатель образца.
2. Прикрепить держателя образца для подравнивания и смонтировать его в ультрамикротоме.
3. Очистите лезвием бритвы с этанолом для удаления смазки и металлических фрагментов и осмотрите кромки лезвия бритвы под стереоскоп из ультрамикротоме. Любые оставшиеся фрагменты повредит алмазного ножа во время секционирования. Обрезка блока по ширине алмазного ножа (безэлектронной использовать 2 или 4 мм Diatome Ультра 35 °) в форме трапеции (потому что это самая стабильная форма для секционирования). Замечание: некоторые ультрамикротомов использовать обрезки вложения, которые крепятся к режущий рычаг, но мы добиваемся лучших результатов с лезвиями .
4. Выравнивание краю параллельно стекло ножа к нижнему краю поверхности блока.
5. Начать предварительного измельчения с ультрамикротоме (мы использовали Leica EMUC-6) со стеклянной нож определить гладкую поверхность на лицевой стороне блока.
6. Для изготовления металлической конструкции, заменить стекло нож с алмазным лезвием, повторно согласовать ее, и раздел блок или 100 нм при 1 мм / сек или 50 нм при 0,6 мм / с. Epofix разделов являются стабильными до ~ 30 нм Примечание: легкой проверки толщины секций их цвет, который изменяется предсказуемым в зависимости от толщины и не зависит от смолы, который был использован; ссылкой карты доступны.. ¹⁶
7. Собирают эпоксидной секции, содержащие структуры с поверхности воды в резервуаре нож или по отдельности с помощью идеальной частоты (электронный наук микроскопии) или в виде ленты из нескольких секций с Si/SiO2 (для SEM) или SiO 2 (для электрических измерений) подложки путем размещения подложки под поверхностью воды и повышения ее медленно.
8. Сухие секциях при 60 ° С в течение 3 часов для улучшения их адгезии к подложке.
9. Чтобы зола эпоксидной смолы, подвергать образцы кислородной плазмы (15 мин при 1 мбар достаточно, чтобы удалить все следы эпоксидной от 100 или толщиной 50 нм секций). Примечание: Если наноструктур для электрических измерений, этот шаг должен быть выполняется после этапа 4.

3. Вытравливанием временного слоя

1. Для алюминия: Место секции, содержащие алюминий в 2 М водный раствор HCl в течение 2 часов. Для серебра: подвергать секциях кислородной плазмы в течение 10. мин Примечание: выбор материалов позволяет либо влажного травления (с использованием HCl) или сухого травления (с использованием кислородной плазмы), однако серебро может быть удалена путем влажного травления, а также.
2. Для ЗРК: Плазменная обработка частично вытравливает ЗРК, но мы не увенчались успехом в наших усилиях, чтобы охарактеризовать в какой степени.

4. Электрические измерения

1. Место эпоксидной разделов на подложке SiO2, который был тщательно очищен (например, используя Pirana раствор) и высушите их (шаги 2.7 и 2.8).
2. Устанавливать подложку под световым микроскопом или стереоскоп прикреплены к ультрамикротоме.
3. Применение капель серебряной пастой (или углерод чернил) на двух концах проводов в каждой секции. Эти встроенные металлические конструкции будут видны либо как черная линия (от золота / эпоксидной интерфейс) или, в случае более толстых структур золота (от осаждения шагов), непосредственно видно. В любом случае, капли должны быть примененыдостаточно далеко от центра к коротким нано-пробелов.

Результаты

Мы подготовили нанометрических зазоров структур путем включения двух металлических жертвенных слоев в качестве спейсера: алюминий и серебро. Мы травлению этих слоев, чтобы получить зазоры желаемой толщины. Как описано в разделе протокола, после секционирования мы подвержены структу?...

Обсуждение

В данной работе мы показали, изготовление конструкций с использованием нанометрических зазоров nanoskiving. Это экспериментально простой способ делает возможным получение наноструктур в размере около одного второго, с контролем всех трех измерениях. Разрыв размер определяется путем вклю...

Материалы

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.