CN107144614A - 一种空气纳米间隙电极的制备方法 - Google Patents

一种空气纳米间隙电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气纳米间隙电极的制备方法，包括单晶硅片的处理、切割用纳米电极样品模块的制备、纳米切割制备纳米电极、间隔层的刻蚀；本发明的制备方法操作简单、可控性强、适合大规模的生产，能够在短时间制得大量纳米电极，并且具备大面积制备的能力。

Description

一种空气纳米间隙电极的制备方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种空气纳米间隙电极的制备方法。
背景技术
纳米器件作为新一代电路元件，具有低能耗、高集成性等特点。但是，电子器件的微型化相对发展缓慢，这在一定程度上限制了电子工业的快速发展。因此，为了在纳米尺度甚至分子尺度检测材料性质，制备纳米器件或电路显得尤为重要[1]。凭借优异的特性和潜力，纳米间隙电极充当电子设备的构筑基元已经受到广泛的关注，它们与有机分子或其他纳米尺寸组分集成，能够展现转换器、晶体管的功能，用于检测或感应等应用的研究[2]。
目前，一些制备纳米间隙电极结构的方法主要集中在电子束刻蚀[3]、聚焦离子束刻蚀[4]、线上刻蚀[5]等方法。虽然这些方法都有自己的特点，但是对于传统刻蚀而言，想要以精确可控的方式制备纳米间隙电极仍然存在很多挑战，快速高效地大量制备纳米间隙电极是构筑纳米器件关键步骤。虽然以单分子或组装单分子层作为电介质层的纳米间隙电极已经被广泛的研究，但是由于缺少精确可控的制备方法，对空气作为绝缘电介质层的纳米间隙电极的系统研究很难实现，在很大程度上限制了纳米间隙电极作为电子器件的应用。发展一种简单快速，高度可控的制备方法，对电子器件的快速发展具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足之处，本发明解决的问题为：提供一种简单快速、高度可控的空气纳米间隙电极的制备方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案如下：
一种空气纳米间隙电极的制备方法，步骤如下：
S1：选取单晶硅片作为基底，将单晶硅片进行表面处理以后吹干待用；
S2：取一个聚四氟乙烯掩板，在聚四氟乙烯掩板上开设多个均匀分布的矩形镂空，将聚四氟乙烯掩板覆盖在单晶硅片表面，在真空条件下，于聚四氟乙烯掩板的矩形镂空上进行热蒸发沉积金属金，于单晶硅片表面形成矩形金膜图案，去掩板，然后通过3~15 mL光固化树脂覆盖矩形金膜图案，固化后通过光固化树脂粘附矩形金膜图案一并从单晶硅片上脱离；
S3：将上述光固化树脂粘附的矩形金膜图案通过步骤S2中的聚四氟乙烯掩板进行二次覆盖，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形镂空与矩形金膜图案的宽度方向存在60~70%的偏移；然后置于真空条件下，在聚四氟乙烯掩板的矩形镂空上先后热蒸发沉积间隔层和金属金，形成部分交叠的金-间隔层-金的矩形三明治结构图案；取1~3 mL光固化树脂覆盖在金-间隔层-金的矩形三明治结构图案上进行固化；
S4：将步骤S3中的金-间隔层-金的矩形三明治结构图案逐一进行分离，置于制备样品模块的凹槽当中，添加光固化树脂之后进行固化，形成长方体适合切割的样品模块；将该样品模块一端围绕着膜图案修整成适合金刚石刀宽度的尺寸，并将修整后的样品模块固定于超薄纳米切片机中，利用2~4 mm宽的金刚石刀，以0.6~1.2 mm/s的速度垂直膜图案平面的方向切割样品模块为厚度50~400 nm的切割薄片，然后收集到目标基底上；
S5：将步骤S4制得的样品模块置于反应性离子刻蚀机中进行刻蚀以除去光固化树脂基体以及间隔层，在基底上得到由两条毫米长的金纳米线部分交叠构成的空气纳米间隙电极。
进一步，所述的步骤S1中单晶硅片的通过丙酮和乙醇冲洗后，然后氮气吹干，最后置于空气等离子体清洗机中处理2~4 min；或者，单晶硅片利用酸洗液加热清洗60 min，然后利用水、乙醇冲洗，最后氮气吹干。
进一步，所述的步骤S2中矩形金膜图案宽为1~3 mm、长为2~15 mm、厚度为100~200nm，固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min，沉积速率1~5Å/s。
进一步，所述的步骤S3中的间隔层为金属银或者二氧化硅，所述步骤S5中反应性离子刻蚀机中的刻蚀气体为氧气或者四氟化碳；步骤S3中固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min。
进一步，所述的步骤S3中间隔层厚度为2~30 nm，金膜厚度为100~200 nm。
进一步，所述的步骤S5中刻蚀时间5~20 min，刻蚀气压为5~10 mTorr，刻蚀温度10~20 oC，刻蚀气体流速10~50 sccm，刻蚀功率为100~200 W。
进一步，所述的步骤S2和步骤S4中光固化树脂为硫醇烯类，所用两种单体为季戊四醇四-3-巯基丙酸酯和1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮，固化剂为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；所述的固化剂比例为1 wt%；在进行步骤S2之前对单晶硅片进行氟化处理。
进一步，所述的步骤S4中收集切割薄片的目标基底为玻璃片或者石英片平整的绝缘基底；步骤S4中固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min。
进一步，所述的步骤S3保持聚四氟乙烯掩板上的矩形镂空与矩形金膜图案的宽度方向存在67%的偏移。
进一步，所述的步骤S3中沉积速率0.1~5Å/s。
本发明的有益效果
本发明的制备方法操作简单、可控性强、适合大规模的生产，能够在短时间制得大量纳米电极，并且具备大面积制备的能力。本发明涉及薄膜制备技术、纳米切割技术、掩板/去掩板技术以及刻蚀技术等。两条超高长径比纳米线由纳米尺度空气层分离构成空气纳米间隙电极，通过改变牺牲间隔层的厚度，可以精确控制间隙尺寸，打破了分子间隙在分子尺度构筑电极的限制。操作过程简单高效，短时间内可以制备大量结构与尺寸完全相同的电极，消除对每个电极都进行电镜表征所带来的时间消耗，并且电极的三维尺寸可以被精确的控制。通过对不同尺寸空气纳米间隙电极的电学测试，电流密度与电压成指数关系、与间隙宽度成线性关系，说明此电极的电荷传输机理是隧道效应。
附图说明
图1为制备空气纳米间隙的流程图。
图2为空气纳米间隙电极结构示意图。
图3为施加0.5 V电压于空气纳米间隙电极所产生电流信号与纳米间隙宽度的关系曲线。
其中，单晶硅片-1；聚四氟乙烯掩板-2；矩形金膜图案-3；光固化树脂-4；A：纳米间隙的宽度；B：空气纳米间隙电极的长度；C：空气纳米间隙电极的宽度；D：空气纳米间隙电极的高度；E：纳米间隙的长度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步详细说明。
实施例1：单晶硅片的处理
如图1所示，选取单晶硅片1作为基底，将单晶硅片1进行表面处理以后吹干待用，具体的，单晶硅片1的通过丙酮和乙醇冲洗后，然后氮气吹干，最后置于空气等离子体清洗机中处理2~4 min；或者，单晶硅片利用酸洗液加热清洗60 min，然后利用水、乙醇冲洗，最后氮气吹干。
实施例2：切割用纳米电极样品模块的制备
如图1和2所示，于处理过的洁净单晶硅片1表面固定一个带有2 mm宽、10 mm长的矩形孔的聚四氟乙烯掩板2，然后置于真空条件下，以2 Å/s的速度热蒸发沉积金属金，在聚四氟乙烯掩板2的掩蔽作用下，于硅片表面形成厚度为100 nm的纳米矩形金膜图案。取6 mL硫醇烯类光固化树脂4覆盖矩形金膜图案，固化剂比例为1 wt%，在50 W紫外光下固化5 min后，光固化树脂粘附着矩形金膜图案一并从单晶硅片上脱离并将整张光固化树脂翻转，将相同的聚四氟乙烯掩板固定在矩形金膜图案背面，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形孔与金膜图案在宽度方向存在67%的偏移；然后置于真空条件下，以0.2 Å/s的速度于金膜图案表面热蒸发沉积间隔层，如金属银或者二氧化硅，紧接着以2 Å/s的速度沉积金属金，形成部分交叠的金-间隔层-金的三明治结构，间隔层厚度为5 nm，金膜厚度为100 nm。取2 mL光固化树脂覆盖矩形三明治结构图案，在50 W紫外光下固化5 min；然后将制得的矩形三明治结构图案逐一分离，置于聚乙烯模具的矩形凹槽当中，添加光固化树脂之后，在50 W紫外光下固化5min，形成长方体样品模块。
实施例3：纳米切割制备纳米电极
利用刀片将长方体样品模块围绕着金膜图案部分修整成方便切割的梯形体结构模块，梯形体的上底平面和下底平面与金膜图案平面平行，并且下底宽度小于金刚石刀的宽度。将修整后的梯形体结构模块固定于超薄纳米切片机的样品卡盘中，首先利用玻璃刀进行预切割，使得模块梯形结构端形成光滑的表面，再替换成3 mm宽的金刚石刀，以1 mm/s的速度以及垂直金膜平面的方向切割模块成下底2.5 mm、上底1.5 mm、高1 mm、厚100 nm的梯形切割薄片。制得的切割薄片收集在玻璃片基底上，烘箱干燥备用。
实施例4：间隔层的刻蚀
将实施例3中制得的切割薄片置于反应性离子刻蚀机中，氧或者四氟化碳反应性离子刻蚀除去间隔层金属银，在基底上得到由两条毫米长的金纳米线部分交叠构成的空气纳米间隙电极。刻蚀时间10 min，刻蚀气压为10 mTorr，刻蚀温度20 oC，氧气流速30 sccm，刻蚀功率为200 W。
实施例5：纳米电极的电学测试
如图3所示，构成纳米电极的两条超长金纳米线末端都留有1 mm左右的长度用于电接触，因此可以在显微镜下应用银胶滴涂于每条金纳米线的末端形成接触垫。电源的两电极探针附有液态合金EGaIn，与纳米电极两端的银胶垫接触形成回路，0~0.5 V循环电压施加于阳极和阴极，产生电流信号，电流密度/电压曲线为S型，电流密度与电压呈指数关系，与间隙宽度呈线性关系，说明空气纳米间隙电极的电荷传输机理是隧道效应。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1：选取单晶硅片作为基底，将单晶硅片进行表面处理以后吹干待用；
S2：取一个聚四氟乙烯掩板，在聚四氟乙烯掩板上开设多个均匀分布的矩形镂空，将聚四氟乙烯掩板覆盖在单晶硅片表面，在真空条件下，于聚四氟乙烯掩板的矩形镂空上进行热蒸发沉积金属金，于单晶硅片表面形成矩形金膜图案，去掩板，然后通过3~15 mL光固化树脂覆盖矩形金膜图案，固化后通过光固化树脂粘附矩形金膜图案一并从单晶硅片上脱离；
S3：将上述光固化树脂粘附的矩形金膜图案通过步骤S2中的聚四氟乙烯掩板进行二次覆盖，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形镂空与矩形金膜图案的宽度方向存在60~70%的偏移；然后置于真空条件下，在聚四氟乙烯掩板的矩形镂空上先后热蒸发沉积间隔层和金属金，形成部分交叠的金-间隔层-金的矩形三明治结构图案；取1~3 mL光固化树脂覆盖在金-间隔层-金的矩形三明治结构图案上进行固化；
S4：将步骤S3中的金-间隔层-金的矩形三明治结构图案逐一进行分离，置于制备样品模块的凹槽当中，添加光固化树脂之后进行固化，形成长方体适合切割的样品模块；将该样品模块一端围绕着膜图案修整成适合金刚石刀宽度的尺寸，并将修整后的样品模块固定于超薄纳米切片机中，利用2~4 mm宽的金刚石刀，以0.6~1.2 mm/s的速度垂直膜图案平面的方向切割样品模块为厚度50~400 nm的切割薄片，然后收集到目标基底上；
S5：将步骤S4制得的样品模块置于反应性离子刻蚀机中进行刻蚀以除去光固化树脂基体以及间隔层，在基底上得到由两条毫米长的金纳米线部分交叠构成的空气纳米间隙电极。
2.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中单晶硅片的通过丙酮和乙醇冲洗后，然后氮气吹干，最后置于空气等离子体清洗机中处理2~4 min；或者，单晶硅片利用酸洗液加热清洗60 min，然后利用水、乙醇冲洗，最后氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中矩形金膜图案宽为1~3 mm、长为2~15 mm、厚度为100~200 nm，固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min，沉积速率1~5Å/s。
4.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中的间隔层为金属银或者二氧化硅，所述步骤S5中反应性离子刻蚀机中的刻蚀气体为氧气或者四氟化碳；步骤S3中固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min。
5.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中间隔层厚度为2~30 nm，金膜厚度为100~200 nm。
6.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S5中刻蚀时间5~20 min，刻蚀气压为5~10 mTorr，刻蚀温度10~20 oC，刻蚀气体流速10~50sccm，刻蚀功率为100~200 W。
7.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2和步骤S4中光固化树脂为硫醇烯类，所用两种单体为季戊四醇四-3-巯基丙酸酯和1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮，固化剂为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；所述的固化剂比例为1 wt%；在进行步骤S2之前对单晶硅片进行氟化处理。
8.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S4中收集切割薄片的目标基底为玻璃片或者石英片平整的绝缘基底；步骤S4中固化条件为在10~100 W紫外光下固化1~10 min。
9.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3保持聚四氟乙烯掩板上的矩形镂空与矩形金膜图案的宽度方向存在67%的偏移。
10.根据权利要求1所述的空气纳米间隙电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中沉积速率0.1~5Å/s。
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