Nanoskiving tarafından Nanogaps imalatı

Özet

Elektriksel adresli, yüksek boy oranı (> 1000:1) 'nin üretim şablon olarak kurban alüminyum ve gümüş tabakaları veya kendini monte mono tabakaları kullanarak tek nanometre boşluklar ile ayrılmış metal nanotellerin açıklanmıştır. Bu nanogap yapılar nanoskiving olarak bilinen kenar litografi biçimi ile bir temiz oda veya herhangi bir fotoğraf ya da elektron-ışın taşbaskı süreçleri olmadan üretilmektedir.

Özet

Orada kontrol aralıkları ile nanogaps imalatı çeşitli yöntemler vardır, ancak iki elektrot-ve pratik bunları üreten arasındaki alt-nanometre aralığı üzerinde hassas kontrol hala zorlu miktarda-olduğunu. Kenar litografi şeklidir nanoskiving, kullanarak nanogap elektrot hazırlanması hızlı, basit ve güçlü bir tekniktir. Bu yöntem, herhangi bir fotoğraf ya da elektron-ışın taşbaskı adımları içermez ve bu temiz odalar gibi herhangi bir özel ekipman veya altyapı gerektirmeyen tamamen mekanik bir süreçtir. Nanoskiving her üç boyutta üzerinde kontrol ve elektriksel olarak adreslenebilir nanogaps imal etmek için kullanılan, bu yapıların en küçük boyutunun feda edilecek bir tabaka (Al ya da Ag) veya kendi kendine monte edilmiş mono tabakaların kalınlığı ile tanımlanır. Bu teller elle su damlaları üzerinde nakillerini tarafından yerleştirilmiş ve doğrudan elektrik-adreslenebilir olabilir; başka litografi bir bağlamak gereklidirelektrometre.

Giriş

Bu kağıt kullanılarak tek nanometre boşluklar ile ayrılmış altın elektriksel adreslenebilir, yüksek boy oranı nanotellerinin üretim açıklar vakum-tevdi boşlukları> 5 nm ve alkanedithiols kendini monte mono tabakaları (SAMs) için bir kurban ayırıcı tabaka olarak alüminyum ve gümüş 1.7 nm kadar küçük boşluklar için. Biz ultramicrotome kullanarak bir kurban ayırıcı, nanoskiving olarak bilinen kenar litografi biçimi ile ayrılmış altın kesit sandviç yapılarla bir temiz oda veya herhangi bir fotolitografik süreçleri olmadan bu nano fabrikasyon. ^1-3 Bu yöntem ince metal birikimi bir arada film ve bir ultramicrotome kullanarak kesit. Nanoskiving en önemli adım ~ 30 nm kadar ince olan plaka üretmek için su dolu bir tekne bağlı elmas bıçak ile donatılmış bir ultramicrotome ile ince kesitler dilimleme. Ultramicrotomes ile optik görüntüleme için ince numune hazırlanması için yaygın olarak kullanılan ya da tercih edilirron mikroskobu ve bir biyolojik veya tıbbi arka plan gelen ultramikrotom en deneyimini uygulayıcılar çok. Mekanik mola kavşak, ⁴ elektron-ışın litografi ^5, elektrokimyasal kaplama, ^{6, 7} electromigration, ⁸ odaklanmış iyon demeti litografi, ⁹ gölge buharlaşma, ¹⁰ tarama probu ve atomik kuvvet mikroskobu, ¹¹ telli litografi dahil olmak üzere imalatı nanogaps çeşitli yöntemler vardır , ¹² ve moleküler yöneticiler. ¹³ Bu yöntemlerin tümü kendi özellikleri ve uygulamaları var ama yararlı sayıda ve boşluk boyutları üzerinde tam kontrol ile hem nanogaps üreten ve adresleme bir sorun olmaya devam etmektedir. Ayrıca bu yöntemler bu aşındırma süreçleri yaşayabilir malzemelerin sınıfına sınırlıdır, yüksek işletme maliyetleri ve çözünürlükte sınırlıdır. Nanoskiving Spacin ile elektrik-adreslenebilir nanoteller hızlı bir üretim sağlartezgah üstünde tek nanometre gs. Biz nano-fabrikasyon elektrotlar uzmanlık gerektiren ve zaman alıcı teknikleri gerektirmeyen için Moleküler Elektronik, için nanoyapıların hızlı prototipleme ilgilenen, bir blok yapıldıktan sonra ^14, bu Nano yüz binlerce, (seri) üzerinde üretebilir talep. Ancak, bu teknik SAM'lere veya Moleküler elektronik ile sınırlı değildir ve iki nano arasında bir boşluk hazırlanması için bir genel yöntemdir. Bu yazıda altın nanotellerin arasında çeşitli boyutlarda boşluklar üretmek için kurban kat olarak gümüş, alüminyum ve SAMs kullanabilirsiniz, ancak teknik bu malzemelerin (veya metal nanoteller için) sınırlı değildir. Teller pick-ve-bir yer vardır ve manyetik uyum ile uyumlu, bu nedenle keyfi yüzeylerde yerleştirilebilir. Nanoskiving ¹⁵ diğer güçlü her üç boyutu üzerinde kontrol tanıyor olmasıdır. Numunelerin boyutları alt tabaka topografyası (X) ile belirlenirtevdi filmi (Y) ve ultramikrotom (Z) tarafından üretilen kütüğün kalınlığının kalınlığına bağlıdır. Şekil 1, bu belirli şekillere sahip tellerden üretmek için kullanılan yöntem özetlemektedir. Altın ® (uzunluk olarak 1-2 mm), bir silikon alt-tabaka üzerine teflon bir maske aracılığıyla buharlaştırma ile yatırılır. Epofix (Elektron Mikroskobu Bilimleri) epoksi reçine ön polimer altın ®, epoksi kürlendiğinde, epoksi (sıyırma şablon yolu ile) gofret ayrılır kapsayan tüm gofret üzerine dökülür, altın ® epoksi yapışık kalması . Altın özellikleri üzerinde 500 um - gümüş geçici tabaka, alüminyum ya da bir gümüş 200 ofset ile teflon maske aracılığıyla arzu edilen kalınlık ile buharlaştırılır. Alt-5 nm boşlukları üretmek için, SAM gece boyunca uygun ditiyol bir 1 mM etanolik çözelti içinde altın ® daldırarak oluşturulmuştur. Altın (veya başka bir metal) oluşan ikinci bir set üzerinde teflon gölge maske yerleştirilerek yatırılıraltın özellikleri (gümüş, alüminyum veya bir SAM kaplı) ilk kat bir 200 ofset - ilk buharlaşma göre 500 mikron. Bu ofset sonunda boşluğu en uzun boyutu tanımlayacak, ve doğru bir kesit için epoksi içinde tüm yapı gömmeden önce bir mikro-cetvel kullanılarak ölçülebilir. Daha sonra tüm yapı daha sonra ultramicrotome ile kesit için hazır olabilir epoksi bir blok yerleştirilmiştir. Örnek kolu plaka kalınlığını belirleyecek kontrollü olarak buna karşı elmas bıçak ilerledikçe hazırlanan blok tutar. Ortaya çıkan bölümde tekne su üzerinde yüzer.

Protokol

1. Kesit için bir Blok hazırlanması

1. . Bu adım öncesinde gereklidir: bir hava plazma 30 saniye daha temiz ve daha sonra bir saat için (tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) trichlorosilane buharına maruz Not bir teknik-grade 3 "silikon tedavi silikon gofret yapışmasını epoksi önlemek için 1.4 adım.
2. Öncesi ile tedavi edilen silikon üzerine, bir teflon ana (0.5 mm, 1 mm veya 1,5 mm çıkan tellerin uzunluğu tanımlar) ile altın tabakası (tellerin genişliğini tanımlar genellikle 100 nm-kalınlığında,) Depozito gofret.
3. Epofix epoksi ön-polimer ile ~ 8.5 ml 'si ile, tüm gofret Kapak ve 60, üç saat boyunca tedavi ° C
4. Şablon-şerit dikkatlice altın epoksi takılı kalacak şekilde gofret epoksi soyulması ile altın tabakası. Gelen epoksi tabakası kabuğu hafifçe sonra silikon ve epoksi arasındaki ara bir jilet kenarında yerleştirin vesilikon gofret. Çünkü florlu silikon yonga (adım 1.1) için altın yoksul yapışma altın özellikleri epoksi yapışık kalır Not:. Silikon yonga kırmak için dikkat edin, aksi takdirde silikon parçacıkları kesit adımda elmas bıçak zarar verir.
5. Aynı Teflon ® maske altın üzerine tekrar yerleştirilebilir, fakat yanal altın ® en kısa boyutunun ~% 80 ile dengelenmiştir ve teflon ana yoluyla alüminyum ya da bir gümüş tabakası yatağıdır. Bu tabakanın kalınlığı, altın tel arasındaki nano boşluk aralığı tanımlar. Alt sınır metal bağlıdır, ancak katmanlar süreksiz Not hale geldiği altında alüminyum ve gümüş için ~ 5 nm vardır:. Bu ofset sonunda iki altın elektrot arasındaki örtüşme uzunluğu belirleyecek ve mikro-cetvel ile ölçebilirsiniz .
6. 5 nm altında boşluklar için: Bir alkanedithiol bir 1 mM çözüm epoksi şablon elimden altın bırakınetanol (ya da epoksi kabarmaz herhangi bir çözücü), nitrojen (disülfidlerin kendiliğinden oluşumu azaltmak için) ile temizlendi bir kapalı hazne içinde gece boyunca karıştırıldı. (Bu yazıda 3 nm altında çeşitli genişlikleri boşluklar üretmek için 1,12-dodecanedithiol, 1,14-tetradecanedithiol veya 1,16-hexadecanedithiol kullanın.) SAM-şekillendirme gelen şablon elimden altın-on-epoksi yüzey çıkarın çözümü. Etanol ile durulayın ve 2 dakika 60 kurumadan azot ile kurulayın.
7. Bir SAM kullanıyorsanız, epoksi zemin üzerine teflon maske geri yerleştirin ama yanal altın özellikleri en kısa boyutunun ~% 80 ofset. Bir metal kullanılarak, maske Adım 1.5 sonrası konumda zaten, yani alüminyum ya da gümüş çökeltilmesinden sonra maskenin konumunu değişmez.
8. Altın ikinci bir katman veya maske üzerinden herhangi bir diğer metal Depozito. Bu katman tipik olarak (bu durumda 100 nm kalınlığında), ilk olarak kalınlığı, aynı metalden oluşan edilecektir.
9. KaldırmakTeflon maskesi, bakımı kırık nanotellerin neden olur özellikleri, sıfırdan değil.
10. Epofix ön-polimer (~ 8.5 mL) içerisinde tüm yüzey yeniden gömmek ve 60 ° C'de en az üç saat boyunca kür.
11. Bir kuyumcuya testere (~ 4 x 10 mm parçalar halinde) kullanılarak özellikleri kesin ve bir polietilen'' tabut'' mikrotom kalıp ayrı bir kuyuya her yer.
12. Epofix ön-polimer ile kalıp doldurun ve 60 ° C'de bir gece bunun tedavisi

2. Kesit

1. Polietilen kalıp bir blok çıkarın ve örnek tutucuya monte.
2. Düzeltme eki için örnek tutucu takın ve ultramicrotome içinde monte edin.
3. Yağ ve metal parçaları çıkarın ve ultramicrotome en Stereoskop altında jilet kenarına incelemek için etanol ile bir jilet temizleyin. Kalan parçaları kesit sırasında elmas bıçak zarar verir. Elmas bıçak genişliği (w blok Trimo) kesit için en istikrarlı şekli olduğu için e bir yamuk şeklinde 2 mm veya 4 mm Diyatomelere Ultra 35 °) (kullanın Not:. bazı ultramicrotomes kesme koluna monte ekleri kırpma kullanmak, ama biz tıraş bıçakları ile daha iyi sonuçlar elde .
4. Blok karşısında alt kenarına bir bıçak cam paralel kenarına hizalayın.
5. Blok yüzünde düzgün bir yüzey tanımlamak için bir bıçak cam ile donatılmış ultramicrotome (bir Leica EMUC-6 kullanılır) ile ön kesim başlatın.
6. Metalik bir yapı imal etmek, 0.6 mm / sn az 1 mm / sn veya 50 nm bir elmas bıçak, yeniden-align, ve bölüm 100 nm ya için blok ile bıçak cam değiştirin. . Epofix bölümleri aşağı doğru yaklaşık 30 nm Not stabildir: bölme kalınlıkları kolay bir doğrulama kalınlığının bir fonksiyonu olarak tahmin edilebilir bir değişiklik ve kullanılmış olan reçineye bağlı değildir, renk, olup, referans kartlar da mevcuttur. ¹⁶
7. Ayrı ayrı (elektrik için mükemmel Döngü (Elektron Mikroskobu Bilimleri) veya Si/SiO2 birkaç bölümden kurdele gibi (SEM) veya SiO2 kullanarak ya da bıçak rezervuar su yüzeyinden yapıları içeren epoksi bölümleri toplayın ölçümler) su yüzeyinin altında alt tabaka yerleştirilmesi ve yavaş yavaş yükselterek tabaka.
8. Substrata yapışmasının geliştirilmesi için, 3 saat boyunca 60 ° C sıcaklıkta bölümler kurutun.
9. Kül epoksi için, bir oksijen plazma örnekleri maruz (1 mbar az 15 dakika 100 veya 50 nm-kalınlığında kesitler gelen epoksi tüm izlerini kaldırmak için yeterlidir) Not:. Elektriksel ölçümleri için nano imalatı, bu adımı olmalı Adım 4 sonra yapılan.

3. Kurbanlık Katman dışarı Gravür

1. Alüminyum İçin: 2 saat boyunca HCI bir 2 M sulu çözelti içinde alüminyum içeren bölümleri. Gümüş için: 10 oksijen plazma bölümleri maruz. dk Not: malzeme seçimi ya ıslak aşındırma (HCl kullanarak) veya (oksijen plazma kullanarak) kuru aşındırma, ancak gümüş hem de ıslak aşındırma tarafından kaldırılabilir sağlar.
2. SAMs için: Plazma tedavi kısmen SAMs etches, ama ne dereceye kadar karakterize etmek çabalarımızda başarısız olmuştur.

4. Elektrik Ölçümler

1. Yeri epoksi iyice temizlenmelidir (Piraña çözüm kullanarak gibi) ve (adım 2.7 ve 2.8) kurulayın olan bir SiO2 yüzeye bölümleri.
2. Bir ışık mikroskobu ya da ultramikrotom ekli Stereoskop altında alt tabaka monte edin.
3. Her bölümde tellerin iki ucunda gümüş hamur damla (veya karbon mürekkep) uygulayın. Bu gömülü metalik yapıları, (depozisyon adımları itibaren) kalın altın yapıları durumunda, görülebilen bir siyah çizgi (Altın / epoksi arayüzünden) veya görünür olacaktır. Her iki durumda da, damla uygulanmalıdıryeterince uzakta merkezinden nano-boşlukları kısa.

Sonuçlar

Alüminyum ve gümüş: Biz ayırıcı olarak iki metal kurban kat dahil ederek nanogap yapılar hazırladı. Biz istenen kalınlıkta boşlukları elde etmek için bu katmanlar kazınmış. Gibi Protokol bölümünde anlatılan, kesit sonra biz oksijen plazma gümüş içeren yapıları, ve sulu HCl için bu içeren alüminyum maruz. Şekil nanometre ölçekli ayırma ile ortaya çıkan nanotellerin elektron mikroskop (SEM) tarama 2. gösterir. Her iki durumda da boşluklar açıkça g...

Tartışmalar

Bu yazıda nanoskiving kullanarak nanogap yapıların imalat gösterdi. Bu deneysel basit bir yöntem üç boyutlu kontrol ile, saniyede yaklaşık bir oranında nano üretimi sağlar. Boşluk boyutu kurban alüminyum ve gümüş tabaka ya da ditiolleri kendi kendini monte mono tabakaları (ki gibi küçük bir çözüm getirir) ya da birleştiren ile tanımlanır. Nano herhangi bir keyfi yüzeye elle yerleştirilmiş ve nanoskiving eşsiz bir özellik olan, doğrudan elektriksel adreslenebilir olabilir. Bu teknik aynı...

Malzemeler

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.