Fabrikere Nanogaps ved Nanoskiving

Summary

Fabrikasjon av elektrisk adresserbare, high-aspekt-ratio (> 1000:1) metall nanotråder adskilt med mellomrom av single nanometer ved hjelp av enten oppofrende lag av aluminium og sølv eller selv-montert monolayers som maler er beskrevet. Disse nanogap strukturer er fabrikkert uten et rent rom eller noen foto-eller elektron-strålen litografiske prosesser ved en form for edge litografi kjent som nanoskiving.

Abstract

Det finnes flere metoder for å fabrikere nanogaps med kontrollerte spacings, men presis kontroll over sub-nanometer avstanden mellom to elektroder-og generere dem i praktiske mengder-er fortsatt utfordrende. Utarbeidelse av nanogap elektroder som bruker nanoskiving, som er en form for edge litografi, er en rask, enkel og kraftfull teknikk. Denne metoden er en helt mekanisk prosess som ikke inkluderer noen foto-eller elektron-stråle litografiske trinn og krever ikke noe spesielt utstyr eller infrastruktur som rene rom. Nanoskiving brukes for å fremstille elektrisk adresserbare nanogaps med full kontroll over alle tre dimensjoner, og den minste dimensjon av disse strukturene er definert ved tykkelsen av offerlaget (Al eller Ag) eller selvkonfeksjonerte monolag. Disse ledningene kan plasseres manuelt ved å transportere dem på vanndråper og er direkte elektrisk adresserbart; ikke lenger litografi er nødvendig for å koble dem til enelektrometer.

Introduction

Dette notatet beskriver fabrikasjon av elektrisk adresserbare høy aspekt-ratio nanotråder av gull adskilt med mellomrom av single nanometer med vakuum-avsatt aluminium og sølv som en oppofrende spacer lag for hull> 5 nm og selv-montert monolayers (SAMs) av alkanedithiols for hullene så små som 1,7 nm. Vi fremstille disse nanostruktu uten et rent rom eller eventuelle fotolitografiske prosesser ved seksjonering sandwich-strukturer av gull atskilt av et mellomrom ved hjelp av en offer-ultramicrotome, en form for kant litografi kjent som nanoskiving. ^1-3 Denne metoden er en kombinasjon av avsetting av tynne metall filmer og seksjonering bruker en ultramicrotome. De viktigste trinn i nanoskiving er kutting av tynne snitt med en diamant ultramicrotome utstyrt med kniv som er festet til en båt full av vann for å fremstille plater som er så tynne som ~ 30 nm. Ultramicrotomes er i utstrakt bruk for utarbeidelse av tynne prøver for bildebehandling med optisk eller velgeron mikroskopi og mange av de mest erfaring utøvere av ultramicrotomy kommer fra et biologisk eller medisinsk bakgrunn. Det finnes flere metoder for å fabrikere nanogaps inkludert mekaniske pause veikryss, ⁴ elektron-strålen litografi ^5, elektrokjemisk ^{plating, 6, 7} electromigration, ⁸ fokusert ion stråle litografi, ⁹ skygge fordampning, ¹⁰ scanning probe og atomic force mikroskopi, ¹¹ on-ledning litografi , ¹² og molekylær herskere. ^13. Alle disse metodene har sine egne egenskaper og bruksområder, men produserer og adressering nanogaps både i nyttige tall og med nøyaktig kontroll over dimensjonene av gapet er fortsatt en utfordring. I tillegg er disse metodene har høye driftskostnader, de er begrenset til den klasse av materialer som kan overleve etsning prosesser, og er begrenset i oppløsning. Nanoskiving gjør den raske fabrikasjon av elektrisk adresserbare nanotråder med spacings av single nanometer på benken-top. Vi er interessert i rapid prototyping av nanostrukturer for molekylær elektronikk, for der nano-fabrikkert elektrodene ikke krever spesialiserte eller tidkrevende teknikker, ¹⁴ en gang i blokken er gjort, kan det produsere hundretusener av nanostrukturer, (serielt) på etterspørsel. Imidlertid er teknikken ikke begrenset til SAMs eller molekylær elektronikk, og er en generell fremgangsmåte for fremstilling av et gap mellom to nanostruktu. I dette papir bruker vi sølv, aluminium og SAMs som offer-lag for å produsere hull av forskjellige størrelser mellom gull nanowires, men teknikken er ikke begrenset til disse materialer (eller til metallisk nanowires). Ledningene er pick-and-place og er kompatible med magnetisk justering, således at de kan plasseres på vilkårlige underlag. ^15. En annen styrke nanoskiving er at den gir kontroll over alle tre dimensjoner. Dimensjonene av prøvene bestemmes av topografien av substratet (X), denTykkelsen av det avsatte film (Y), og tykkelsen av platen som produseres av ultramicrotome (Z). Figur 1 oppsummerer fremgangsmåten brukt til å produsere de nanowires med definert avstand. Gull funksjoner (1-2 mm i lengde) er avsatt ved fordampning gjennom et Teflon masken over et silisiumsubstrat. EPOFIX (elektronmikroskopi Sciences) epoxy pre-polymer helles over hele wafer, som dekker gull funksjoner, når epoxy er herdet, er epoxy skilt fra wafer (dvs. via mal stripping), gull funksjonene forblir overholdt epoxy . For metalliske offer-lagene ekstraheres aluminium eller sølv fordampet med ønsket tykkelse via teflon maske med en forskyvning på 200-500 mikrometer i de andre funksjonene. Å produsere sub-5 nm hull, er en SAM dannet ved å senke gull funksjoner i en 1 mM etanolløsning av den aktuelle dithiol over natten. Et andre sett med gull (eller annet metall) avsettes ved å plassere Teflon skyggemasken over heleførste lag av gull funksjoner (dekket av sølv, aluminium eller et SAM) med en offset på 200-500 mikrometer med hensyn til det første fordampning. Denne korrigeringen vil til slutt definere den lengste dimensjon av gapet, og det kan måles nøyaktig ved hjelp av en mikro-linjal før innebygging hele strukturen i epoxy for snitting. Så hele strukturen er innebygd i en blokk med epoxy som deretter kan være klar for seksjonering med ultramicrotome. Prøven arm holder forberedt blokk som diamant kniv fremskritt mot det i kontrollerte trinn som vil definere tykkelsen på platene. Den resulterende seksjonen flyter på vannet i båten.

Protocol

En. Utarbeidelse av en blokk for seksjonering Treat et teknisk-grad 3 "silisiumskive i en luft plasmarenser i 30 sek og deretter utsette den for (Tridecafluoro-1, 1,2,2,-tetrahydrooctyl) triklorsilan damp i en time. Merk: Dette trinnet er nødvendig før steg 1,4 for å hindre at epoxy fester seg til silisium wafer. Avsette et lag av gull (vanligvis 100 nm tykk, som definerer bredden av trådene) gjennom et Teflon-master (som definerer lengden av de resulterende tråder, 0,5 mm…

Representative Results

Vi forberedte nanogap strukturer ved å innlemme to metalliske oppofrende lag som spacer: aluminium og sølv. Vi etset disse lag for å skaffe hull av de ønskede tykkelser. Som beskrevet i protokoll delen, etter snitting eksponert vi de strukturer som inneholder sølv til oksygen plasma, og de ​​som inneholder aluminium i vandig HCI. Figur 2 viser scanning elektron mikrografer (SEM) for de resulterende nanowires med nanometer-skala separasjon. I begge tilfeller hullene er godt synlig og direkte må…

Discussion

I denne artikkelen viste vi fabrikasjon av nanogap strukturer ved hjelp nanoskiving. Dette eksperimentelt enkel metode muliggjør fremstilling av nanostruktu ved hastighet på omtrent ett per sekund, med full kontroll over alle tre dimensjoner. Gapet-størrelsen er definert ved å innlemme enten oppofrende lag av aluminium og sølv eller selv-montert monolayers av dithiols (som gir en oppløsning så liten som en). De nanostructures kan plasseres for hånd på en hvilken som helst vilkårlig substrat og de er direkte el…

Materials

			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.