Fabricating Nanogaps durch Nanoskiving

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung von Nanospaltelektroden mit hohem Aspektverhältnis durch Nanoschälen. Dies wird erreicht, indem zunächst eine dünne Goldschicht auf einem Siliziumwafer abgeschieden und auf ein Epoxidsubstrat übertragen wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine selbstorganisierte Monoschicht aus Alcan-Thiolen auf der Metallfolie zu bilden.

Als nächstes wird eine zweite Goldschicht abgeschieden. Das ist in Bezug auf die erste versetzt. Der letzte Schritt besteht darin, dünne Scheiben der Struktur mit einem Ultramikrotom zu schneiden.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Foto- oder Mili-Fotografien besteht darin, dass Tausende von Nano-Gap-Elektroden bei Bedarf mit einer Auflösung von unter einem Meter hergestellt und auf jedem beliebigen Substrat positioniert werden können, ohne dass ein Reinraum oder herkömmliche photolitografische Verfahren erforderlich sind. Die Form und das Aspektverhältnis der Nanolücken ermöglichen es, sie in einer Probezeit direkt anzugehen, ohne dass Zwischenschritte zur Herstellung, wie z. B. die Definition von Kontaktpfaden, erforderlich sind. Um mit der Herstellung einer Struktur zu beginnen, beginnen Sie mit einem technischen Drei-Zoll-Siliziumwafer.

Behandeln Sie es 30 Sekunden lang in einem Luftplasmareiniger. Setzen Sie es anschließend nach der Exposition eine Stunde lang perfluoriertem Sinusdampf aus und verwenden Sie eine Teflonmaske, die für die gewünschte Drahtlänge geeignet ist, um eine Goldschicht auf den vorbehandelten Wafer zu verdampfen. Die Dicke der verdampften Schicht hundert Nanometer in diesem Experiment definiert die Breite des Drahtes, wenn die Verdampfung abgeschlossen ist, und bedeckt den gesamten Wafer mit etwa 8,5 Millilitern Epoxid-Prepolymer

Legen Sie den Wafer und das Epoxidharz in einen Ofen bei 60 Grad Celsius, um nach dem Aushärten drei Stunden lang auszuhärten, und führen Sie mit der Probe bei Raumtemperatur die Kante einer Rasierklinge an der Grenzfläche zwischen dem Siliziumwafer und dem Epoxidharz ein. Ziehen Sie die Epoxidschicht vorsichtig vom Siliziumwafer ab, so dass das Gold am Epoxidharz haften bleibt. Achten Sie darauf, den Siliziumwafer nicht zu zerbrechen, um Lücken unter fünf Nanometern zu erreichen.

Wählen Sie ein passendes Alcan-Diol für die gewünschte Spaltweite. Bereiten Sie eine millimolare Lösung des Alcan YL in Ethanol vor. Tauchen Sie das Gold auf Epoxidharz in diese selbstorganisierende Monolayer-Lösung.

Stellen Sie den Behälter in eine geschlossene Kammer, die mit Stickstoff gespült wird. Lassen Sie es über Nacht ruhen. Nehmen Sie den Behälter nach mindestens acht Stunden aus der geschlossenen Kammer und entfernen Sie das goldene Epoxidsubstrat aus der selbstorganisierenden Monolayer-Lösung.

Spülen Sie es mit Ethanol ab und trocknen Sie es mit Stickstoff. Anschließend trocknen Sie es bei 60 Grad Celsius für zwei Minuten. Längere Trocknungszeiten können die Sam-Schicht beschädigen.

Nach dem Trocknen legen Sie die Teflonmaske mit einem seitlichen Versatz von etwa 80% der kürzeren makroskopischen Dimension der Goldmerkmale wieder auf das Epoxidsubstrat. In diesem Experiment verdampft eine zweite Goldschicht durch die Maske. Die Dicke der zweiten Schicht entspricht der der ersten Schicht, nämlich 100 Nanometer. Sobald die Verdunstung abgeschlossen ist, entfernen Sie die Teflonmaske.

Achten Sie darauf, die Funktionen nicht zu zerkratzen. Das gesamte Substrat mit 8,5 Millilitern Epoxid-Prepolymer ummanteln. Legen Sie es in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen, um es drei Stunden lang zu härten.

Sobald die Probe ausgehärtet und abgekühlt ist, schneiden Sie die Merkmale mit einer Juweliersäge in vier Millimeter mal 10 Millimeter große Stücke aus. Legen Sie jedes in eine separate Vertiefung in eine Mikrotomform aus Polyethylen-Sarg. Füllen Sie anschließend die Form mit Epoxid-Prepolymer

Zum Schluss in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen geben, damit er über Nacht aushärtet. Um eine Probe zu schneiden, entfernen Sie einen Block aus der Polyethylenform und setzen Sie die Probe in den Probenhalter ein. Befestigen Sie den Probenhalter an der Trimmaufsätze und montieren Sie ihn in das Ultramikrotom

Reinigen Sie als Nächstes eine Rasierklinge mit Ethanol. Überprüfen Sie die Klinge unter einem Stereoskop, um sicherzustellen, dass keine Metallsplitter vorhanden sind. Schneide den Block mit dem Rasiermesser auf die Breite des Diamantmessers zu.

Rüsten Sie das Ultramikrotom in Trapezform mit einem Glasmesser aus. Das Messer sollte parallel zur Unterkante der Blockfläche ausgerichtet sein. Beginnen Sie mit dem Vorschneiden, um eine glatte Oberfläche auf der Oberseite des Blocks zu definieren.

Sobald Sie eine metallische Struktur hergestellt haben, ersetzen Sie das Glasmesser durch ein Diamantmesser. Richten Sie das Diamantmesser wieder so aus, dass es parallel zur Unterseite des Blocks ist. In diesem Video wird der Block mit einem Millimeter pro Sekunde auf 100 Nanometer geschnitten

Die Dicke dieser Abschnitte kann mit Hilfe von Farbreferenzkarten überprüft werden. Wenn elektrische Messungen durchgeführt werden sollen, legen Sie ein Siliziumdioxid-Substrat unter das Wasser in den Messerbehälter. Heben Sie das Substrat langsam an, um die Epoxidabschnitte, die die Strukturen enthalten, von der Wasseroberfläche zu sammeln.

Trocknen Sie die Abschnitte drei Stunden lang bei 60 Grad Celsius, um ihre Haftung auf dem Untergrund zu verbessern. Elektrische Messungen beginnen mit der Montage der gereinigten und getrockneten Epoxidabschnitte unter einem Lichtmikroskop, wobei die eingebetteten metallischen Strukturen entweder als schwarze Linie oder direkt sichtbar sind. Bei den dickeren Goldstrukturen werden die Kontakte hergestellt, indem Tropfen Silberpaste auf die beiden Enden der Drähte aufgetragen werden.

In jedem hier gezeigten Abschnitt sind Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Lücken von drei verschiedenen Nanolückenstrukturen, die jeweils mit einem anderen ol hergestellt wurden. Diese Bilder wurden nach der Veraschung aufgenommen. Die organischen Stoffe mit Sauerstoffplasma von oben nach unten sind die Lücken, die mit einem 12 do DECANE OL, einem 14 Tetra Decan OL und einem 16 HEXA Decan OL hergestellt werden.

Die Lücken werden mit zunehmender Länge der Moleküle qualitativ größer. Alle Lücken liegen unterhalb der Auflösungsgrenze von vier Nanometern des Instruments. Eine quantitative Unterstützung für die Erhöhung der Spaltgröße ist in der logarithmischen Messung der Stromdichte im Vergleich zur Spannung für jede der Strukturen in diesem Diagramm zu sehen, die schwarzen Quadrate stellen Daten für die eine 12 do DECANE HY-Geräte dar.

Die roten Dreiecke sind für das eine 14 Tetra Decade HY-Gerät und die blauen Kreise für das eine 16 HEXA Decade AL Gerät. Der Einschub zeigt den Logarithmus der Stromdichte bei 500 Millivolt im Vergleich zur Länge des AL-Moleküls, das zur Erstellung des Spalts verwendet wurde. Die gute lineare Anpassung unterstützt die Erwartung einer exponentiellen Abnahme des Stroms mit zunehmender Moleküllänge und die Steigung entspricht anderen Messungen des Tunnelns durch al Canes.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Nano-Gap-Elektroden mit unterschiedlichen Gap-Größen mithilfe von Nano-Skying hergestellt werden können.