CN101245470B - 一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法、属于纳米加工技术领域。该方法包括：首先制备一对微米尺度的金属电极对；在上述金属电极对上，引出两根金属丝，其中至少一根金属丝的材料应该采用金属活动顺序表中位于金属电极材料之前的金属；将电解液覆盖在上述电极对上，且同时覆盖在金属丝与电极对相连部分上，通过上述金属丝与电解液之间的化学反应，在单根或两根金属电极的表面析出金属，使相对金属电极之间的间距逐渐减小，从而获得纳米尺度间隙的电极对。本发明操作简单，工艺可靠、成本低。

Description

一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法
技术领域
本发明是关于纳米尺度间隙电极对的制备方法，具体涉及在一对金属电极之间实现纳米尺度间隙的方法。
背景技术
现在半导体工业的技术节点已经到了90纳米，并正在继续向更小尺度推进。人们正在寻找能够替代硅器件的纳电子器件，纳电子器件的研究是目前研究的一个热点。制备纳电子器件的关键工艺是制备具有几纳米到几十纳米尺度间隙的电极对，为此人们开发了各种不同的制备工艺，例如：电子束光刻(Appll.Phys.Lett.Vol.80，865，2002)；机械可控断裂节技术(Physica C Vol.191，485，1992)以及电迁移断裂金属纳米线技术(Nature Vol.417，722，2002)和电化学沉积技术(Appl.Phys.Lett.Vol.74，2084，1999；Appll.Phys.Lett.Vol.80，2398，2002；Thin Solid Films Vol.438，317，2003)，其中，电化学沉积技术因其设备简单而被广泛采用。目前电化学沉积技术主要采用牺牲阳极或者引入外加牺牲电极的办法，在阴极析出金属来缩短阳极与阴极之间(Appll.Phys.Lett.Vol.80，2398，2002)或阴极电极对之间的间距(Appl.Phys.Lett.Vol.74，2084，1999；Thin Solid Films Vol.438，317，2003)，进而实现纳米尺度间隙电极对。但是牺牲阳极会消耗阳极金属，影响阳极的质量，最终降低纳米尺度间隙电极对的质量，而且外加牺牲电极方法的实验装置比较。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，该方法不需要牺牲阳极或引入外加牺牲电极，可提高纳米尺度间隙电极对的质量，简化实验装置和工艺。
本发明的技术方案是：
一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法、步骤包括：
1)制备一对金属电极对；
2)在上述金属电极对上，引出两根金属丝，其中至少一根金属丝的材料应该采用金属活动顺序表中位于金属电极材料之前的金属；
3)将电解液覆盖在上述电极对上，且同时覆盖在金属丝与电极对相连部分上，通过上述金属丝与电解液之间的化学反应，在单根或两根金属电极的表面析出金属，使相对金属电极之间的间距减小，从而获得纳米尺度间隙的电极对。
将上述金属丝串联一个电阻，与电源形成一回路，且在上述电阻的两端连接锁相放大器，监测电阻两端的电压变化信号，一旦发现电阻两端的电压开始增大时，除去金属电解液，停止沉积过程。
步骤1)中，利用光刻、剥离等技术，预先在Si或SiO2的衬底上，制备一对或多对金属电极对，电极对间隙尺寸在1-2μm范围；金属电极形状可为矩形、正方形或两者的组合，单根金属电极的表面积在70μm2以上；
步骤2)中，金属丝的尺寸需与上述金属电极对的尺度相匹配；电极金属材料包括金、铂，钯，银或者铜等；金属丝材料必须选择金属活动顺序在上述电极对金属之前的金属，包括：铝、铁等。
步骤3)中，电解液选择须依据金属电极的材料，电解液选择依据金属电极的材料，若电极材料是Au时，所述电解液为HAuCl4·2H2O或者KAu(CN)2；若电极材料是Ag时，所述电解液为AgNO3。
步骤3)中，采用压缩空气、高纯氮气或氩气吹走覆盖在金属电极对、以及金属丝与电极对相连的部分的金属离子溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明操作简单，工艺可靠，而且由于无需采用电子束曝光等昂贵工艺及技术，成本低廉；不需要牺牲阳极或引入外加牺牲电极，可提高最终纳米尺度间隙电极对的质量，简化了实验装置；而且可利用锁相放大器检测沉积过程，能实现可控制备纳米尺度间隙电极对。
附图说明
图1是本发明的实验装置图；
图2是实施例1所制备的纳米尺度间隙对，图(b)是图(a)的局部放大图；
图3是实施例2所制备的纳米尺度间隙对。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
在P型Si衬底1上上制得300nm厚度的二氧化硅2，在二氧化硅2上用微加工方法制备一对电极对3；电极对之间最短距离(即电极对间隙尺寸)为2μm；金属电极为Au/Ti双层金属(其中下层金属Ti的厚度：10nm；上层金属Au的厚度：100nm)；制备金属电极利用光刻和剥离工艺，其过程是：甩胶光刻，曝光、显影；然后溅射沉积金属，去胶，即可获得金属电极；
在上述金属电极对上，用两根Al丝4分别将上述金属电极对引出；电极对通过上述两根铝丝4与电源5(4mV，4Hz)、一个电阻6(1kΩ)串联成一个回路；
用氯金酸(HAuCl4·2H2O)溶液7，浓度是2m mol/L作电解液，覆盖Au/Ti双层金属电极对；铝会还原氯金酸溶液中的Au3+，并在与其相连的Au/Ti双层金属电极对3表面上析出Au，减小电极对之间的间距，从而形成纳米尺度间隙电极对；
通过锁相放大器8(SR830)监测小电阻6上的电压信号，发现电阻两端的电压信号开始增大时，停止沉积过程，用压缩空气吹走残余的氯金酸溶液，即可在原先微米尺度的间隙上获得具有纳米尺度间隙的电极对(附图2a和b)。
实施例二：
试验装置和实验过程同实施例1，制备时将电极对3中一个电极用Au引线引出，而另一个电极用铝引线引出，则铝会还原氯金酸溶液(电解质)7中的Au3+，并在与其相连的Au/Ti双层金属表面上析出Au，减小电极对之间的间距，从而形成纳米尺度间隙电极对(附图3)。
上述实施例中提供了纳米尺度间隙Au/Ti金属电极的实现，与之对应的电极材料可以是金、铂，钯，银或者铜等。电解液与电极材料相对应，例如电极材料是Au时，电解液采用HAuCl4·2H2O或者KAu(CN)2；电极材料是Ag时，电解液使用AgNO3；其它金属材料及电解液可以类推。
另外，金属电极的形状可为矩形、圆形或其它任意形状，该金属电极对之间的距离一般是500nm-3μm。
此外，引线材料应该采用金属活动顺序表中排在电极材料之前的金属，包括：铝、铁等。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。

Claims (8)

1.一种制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其步骤包括：
1)制备一对金属电极对；
2)在上述金属电极对上，引出两根金属丝，其中至少一根金属丝的材料应该采用金属活动顺序表中位于金属电极材料之前的金属；
3)将电解液覆盖在上述电极对上，且同时覆盖在金属丝与电极对相连部分上，通过上述金属丝与电解液之间的化学反应，在单根或两根金属电极的表面析出金属，使相对金属电极之间的间距减小，从而获得纳米尺度间隙的电极对；
所述方法不牺牲阳极或引入外加牺牲电极。
2.如权利要求1所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，将上述金属丝串联一个电阻，与电源形成一回路，且在上述电阻的两端连接锁相放大器，监测电阻两端的电压变化信号，当发现电阻两端的电压开始增大时，除去电解液，停止沉积过程。
3.如权利要求1所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，步骤1)中，利用光刻、剥离技术，预先在SiO2的衬底上，制备金属电极对，电极对间隙尺寸在500nm-3μm之间。
4.如权利要求3所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，金属电极的形状为矩形、正方形，且单个金属电极的表面积在70μm2以上。
5.如权利要求1或2所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，步骤1)中，电极金属材料为金、铂、钯、银或者铜，以及上述金属的合金。
6.如权利要求5所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，所述金属丝材料为铝或铁。
7.如权利要求1所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，若电极材料是Au时，所述电解液为HAuCl4·2H2O或者KAu(CN)2；若电极材料是Ag时，所述电解液为AgNO3。
8.如权利要求2所述的制备纳米尺度间隙金属电极对的方法，其特征在于，采用压缩空气、高纯氮气或氩气吹走覆盖在金属电极对上的电解液，停止沉积过程。
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