CN107265396A - 机械可控纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法 - Google Patents

机械可控纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可精密控制纳米间隙的单层石墨烯电极的方法，以及构建以石墨烯为电极的单分子结的技术和工艺流程。本发明是利用单层薄膜制备工艺、微纳加工相关技术和机械可控裂结技术实现的。通过将制备的单层石墨烯芯片置于机械可控三点弯曲装置上，连续弯曲基板使得单层石墨烯断裂，形成可控纳米间隙的单层石墨烯电极对。最后通过利用酰胺共价键在间隙间连接有机分子来形成单层石墨烯单分子结。由于该方法可在皮米级别精确调控纳米间隙的大小来匹配分子长度，因此可以实现单层石墨烯单分子结的高效量产。而且单层石墨烯性质稳定，提高了单分子结器件的稳定性，为分子器件的工业化奠定了基础，在分子电子学的发展方面具有较大意义。

Description

机械可控纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法
技术领域
本发明属于一种以单层石墨烯为电极的机械可控纳米间隙的单分子结，涉及分子电子学、纳米材料、化学等诸多领域。
背景技术
在电子器件微型化的潮流中，分子电子学在近些年得到迅猛发展，各种分子结技术应运而生。而且相对于多分子结来说，单分子结更小但又不失原有特性，所以单分子结得到了更大的发展。到目前为止，构建单分子结的技术有很多，其中包括：电迁移法、电化学沉积法、表面扩张介导沉积法、扫描探针显微镜法、机械可控断裂结法等技术。相对于其他技术来说，机械可控断裂结法表现出了诸多优势，例如：操作简便，可精确控制间隙，稳定性较高等优势。
单分子结就是将单个有机分子嵌入两个纳米电极之间形成电极-单分子-电极结，而构建单分子结的关键就是使电极与分子之间通过共价键来稳定高效地连接起来。通常，单分子结的电极主要是由金属来充当，形成金属-单分子-金属结。与金属连接的硫醇分子容易被氧化聚集，此时金属与分子容易形成非欧姆接触；金属点电极的加工工艺复杂，且难以精确控制电极的构形及所测量的分子的数目。本发明中利用机械可控纳米裂结技术制备的单层石墨烯电极，则完全避免了上述问题。而且单层石墨烯本身就是一个大分子，更易于与分子连接，同时也展现了较好的导电性。由此可知，单层石墨烯是一个比较适合的电极材料。
通常，一些方法即使使用单层石墨烯做电极来制备单分子结，其成功率也较低，消耗了大量的人力、物力和财力，而且结果不一定能实现。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种实现机械可控纳米间隙的的单层石墨烯单分子结。通过精确地控制电极间距离来高效地连接单分子，最终实现高产量地制备单层石墨烯单分子结。
本发明的目的是这样实现的：
一种机械可控纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，由弹性铜片、二氧化硅绝缘层、单层石墨烯、金覆盖层、三点弯曲装置组成，其特征在于：弹性铜片可用于生长二氧化硅绝缘层，能够重复弯曲；绝缘层用于绝缘上下两层薄膜，以及平整表面；金覆盖层可用于固定单层石墨烯，使单层石墨烯电极能产生连续稳定的弯曲；绝缘层中间部分有一个凹槽，可提供悬空的纳米桥；三点弯曲装置可用于弯曲芯片，精确控制纳米间隙大小。
本发明的优点在于：
利用一系列的微纳加工工艺把单层石墨烯固定在金覆盖层和二氧化硅绝缘层中，制作成可弯曲的芯片。机械可控三点弯曲装置具有较小的衰减因子，可以在皮米精度上调控纳米间隙，通过精确控制纳米间隙，使分子能高效地连接到电极两端，最终实现高产量制作的单层石墨烯单分子结；制作成的单层石墨烯单分子结相对于金属单分子结来说，展现了较好的稳定性和导电性。
附图说明
为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1为铜箔(1)示意图；
图2为在图1基础上，生长单层石墨烯(2)；
图3为在图2基础上，将单层石墨烯用覆涂一层约2μm厚的PMMA(3)；
图4为在图3基础上，转移至铜(5)/二氧化硅(4)基底上；
图5为在图4基础上，通过对单层石墨烯上覆涂的PMMA进行电子束曝光、显影、去胶，形成电极形状(6)；
图6为在图5基础上，以及氧离子刻蚀技术将二氧化硅基板上的单层石墨烯刻蚀成电极形状(7)；
图7为在图6基础上，利用反应离子刻蚀技术，在二氧化硅绝缘层上刻蚀出凹槽(8)；
图8为在图7基础上，去除电极上的PMMA(7)；
图9为在图8基础上，覆涂光刻胶，厚度约2μm，通过曝光、显影、去胶，保护单层石墨烯电极(9)；
图10为在图9基础上，在其正上方蒸镀一层金层(10)，其厚度约为1μm，将芯片完全覆盖；
图11为在图12的基础上，去除电极处的光刻胶(9)，其上的金层(10)随之去除；
图12为把制作成的单层石墨烯芯片置于三点弯曲装置上；
图13为三点弯曲装置弯曲单层石墨烯芯片至断裂，形成单层石墨烯单分子结(11)示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
以长44mm、宽12mm、厚50μm左右的铜箔(1)作为基底，利用CVD法生长，单层石墨烯(2)；在铜片(5)上制备SiO2(4)涂层：在氟硅酸溶液(wt.29％)中加入一定量硅酸(SiO2·xH2O)，常温下恒温磁力搅拌，得到SiO2饱和的氟硅酸溶液；取一定体积的饱和溶液，加入去离子水，30℃下恒温磁力搅拌一段时间，配置一定氟硅酸浓度的SiO2超饱和溶液，即获得制备SiO2薄膜的生长液；将清洗干净的紫铜基底放入烧杯中。一定时间后取出样片，使用风机吹干后，放置干燥器中24h，待试样完全干燥，放入氮气保护马弗炉中进行热处理，就制得SiO2绝缘层(4)，厚度约为1μm；将单层石墨烯转移到SiO2/Cu基底上：将铜箔的一面用等离子体处理，将上面生长的石墨烯清除干净，便于后期腐蚀铜箔。再将铜箔的另一面旋转涂覆上一层电子束曝光胶(3)，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘干后，将铜箔放在FeCl3/HCl腐蚀液面上，半小时后，铜全部腐蚀完后，用干净的玻璃片将石墨烯/PMMA转移到蒸馏水中，放置2个小时清洗表面的杂质，然后再转移到制备好的SiO2/Cu基底上。为了使得石墨烯更好的贴合SiO2，先将SiO2/Cu衬底用氧等离子体清洗，去除表面杂质；接着，将石墨烯/PMMA和基底表面之间接触，在约100℃的气体下在热板上加热基底2分钟；利用电子束曝光技术，将PMMA刻蚀成电极形状(6)，显影，定影。再利用氧离子刻蚀技术，将石墨烯刻蚀成电极形状(7)；利用反应离子束刻蚀将电极下方的SiO2层刻蚀出凹槽(8)，便于将单层石墨烯电极崩断，并去除电极上的电子束曝光胶(6)；覆涂光刻胶，厚度约2μm，通过曝光、显影、去胶，保护单层石墨烯电极(9)；使用电子束蒸镀仪在其正上方蒸镀一层金层(10)，其厚度约为1μm，将芯片完全覆盖，此层将单层石墨烯固定在基底上；去除光刻胶，光刻胶上的金层也随之去除，石墨烯电极也暴露出来；使用机械控制精度为皮米级别的三点弯曲装置，不断弯曲芯片，直至单层石墨烯断裂，形成纳米间隙；把有机分子置于间隙里，使用三点弯曲装置调控间隙大小，使间隙大小与连接分子的长度高度匹配，分子与单层石墨烯通过酰胺共价键稳固连接。形成单层石墨烯单分子结(11)。

Claims (5)

1.一种机械可控制纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，单分子结由弹性铜片、二氧化硅绝缘层、单层石墨烯电极对、金覆盖层、三点弯曲装置组成，其特征在于：弹性铜牌片可用于生二氧化硅薄膜作为绝缘层，形成的SiO2/Cu基底便于弯曲；二氧化硅薄膜可以平整表面便于单层石墨烯转移到SiO2/Cu基底；金覆盖层可用于固定单层石墨烯；用湿法刻蚀作为中间部分有一个凹槽，可提供悬空的纳米桥，将其三点弯曲装置可用于弯曲芯片，精确控制纳米间隙大小。
2.根据权利要求1所述的机械可控制纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，其特征在于用弹性铜片作为基底，并利用液相沉积法在其上生长二氧化硅薄膜，来防止石墨烯和铜片直接接触，起到绝缘作用，还可以使表面平整，而且由于二氧化硅薄膜在1μm左右，与弹性铜片形成的复合基底可以重复弯曲。
3.根据权利要求1所述的机械可控制纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，其特征在于单分子结中使用单层石墨烯作为电极材料，通过酰胺共价键实现电极与单分子的连接，使分子结的化学接触非常稳定，能够承受的较大的环境变化；金覆盖层可以固定单层石墨烯，从而使单层石墨烯电极弯曲稳定；绝缘层中间部分使用反应离子刻蚀技术来刻蚀一个凹槽，提供一个悬空的纳米桥，有利于拉断单层石墨烯。
4.根据权利要求1所述的机械可控制纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，其特征在于三点弯曲装置可以逐渐弯曲制作成的单层石墨烯芯片，以至最后单层石墨烯结处断裂，形成纳米间隙和纳米电极，而且三点弯曲装置可由步进电机和压电装置来共同驱动，可以在皮米精度上控制间隙，使其大小与单分子长度匹配，形成单分子结。
5.根据权利要求1所述的机械可控制纳米间隙的单层石墨烯单分子结制备方法，其特征在于单层石墨烯单分子结的制备方法，其步骤如下：
1)以长44mm、宽12mm、厚50μm左右的铜箔(1)作为基底，利用CVD法生长，单层石墨烯(2)；
2)在铜片(5)上制备SiO2(4)涂层：在氟硅酸溶液(wt.29％)中加入一定量硅酸(SiO2·xH2O)，常温下恒温磁力搅拌，得到SiO2饱和的氟硅酸溶液；取一定体积的饱和溶液，加入去离子水，30℃下恒温磁力搅拌一段时间，配置一定氟硅酸浓度的SiO2超饱和溶液，即获得制备SiO2薄膜的生长液；将清洗干净的紫铜基底放入烧杯中。一定时间后取出样片，使用风机吹干后，放置干燥器中24h，待试样完全干燥，放入氮气保护马弗炉中进行热处理，就制得SiO2绝缘层(4)，厚度约为1μm；
3)将单层石墨烯转移到SiO2/Cu基底上：将铜箔的一面用等离子体处理，将上面生长的石墨烯清除干净，便于后期腐蚀铜箔。再将铜箔的另一面旋转涂覆上一层电子束曝光胶(3)，即聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘干后，将铜箔放在FeCl3/HCl腐蚀液面上，半小时后，铜全部腐蚀完后，用干净的玻璃片将石墨烯/PMMA转移到蒸馏水中，放置2个小时清洗表面的杂质，然后再转移到制备好的SiO2/Cu基底上。为了使得石墨烯更好的贴合SiO2，先将SiO2/Cu衬底用氧等离子体清洗，去除表面杂质；接着，将石墨烯/PMMA和基底表面之间接触，在约100℃的气体下在热板上加热基底2分钟；
4)利用电子束曝光技术，将PMMA刻蚀成电极形状(6)，显影，定影。再利用氧离子刻蚀技术，将石墨烯刻蚀成电极形状(7)；
5)利用反应离子束刻蚀将电极下方的SiO2层刻蚀出凹槽(8)，便于将单层石墨烯电极崩断，并去除电极上的电子束曝光胶(6)；
6)覆涂光刻胶，厚度约2μm，通过曝光、显影、去胶，保护单层石墨烯电极(9)；
7)使用电子束蒸镀仪在其正上方蒸镀一层金层(10)，其厚度约为1μm，将芯片完全覆盖，此层将单层石墨烯固定在基底上；
8)去除光刻胶，光刻胶上的金层也随之去除，石墨烯电极也暴露出来；
9)使用机械控制精度为皮米级别的三点弯曲装置，不断弯曲芯片，直至单层石墨烯断裂，形成纳米间隙；
10)把有机分子置于间隙里，使用三点弯曲装置调控间隙大小，使间隙大小与连接分子的长度高度匹配，分子与单层石墨烯通过酰胺共价键稳固连接。形成单层石墨烯单分子结(11)。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108298496A (zh) * 2018-03-13 2018-07-20 长春师范大学 一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法
CN110455865A (zh) * 2019-07-25 2019-11-15 南开大学 一种多级控制电极间距连续变化的机械可控裂结装置及方法
WO2021056188A1 (en) * 2019-09-24 2021-04-01 Peking University Electrical conductors and methods of conducting ions using calsequestrin proteins
CN113548642A (zh) * 2021-07-21 2021-10-26 南开大学 一种片上连续可控间隙的石墨烯纳米电极对阵列的制备方法
CN115636389A (zh) * 2022-10-14 2023-01-24 南开大学 基于压电片可控纳米间隙的单分子结制备方法和应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103196962A (zh) * 2013-04-18 2013-07-10 苏州大学 氧化石墨烯薄膜立式微纳结构气敏传感器及其制备方法
CN103364445A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 国际商业机器公司 识别生物分子的纳米器件、方法以及区分碱基的方法
JP2014049628A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Osaka Univ 二端子多経路確率共鳴素子
CN103789204A (zh) * 2012-10-29 2014-05-14 中国科学院微电子研究所 石墨烯测序器件及其制造方法
CN105779279A (zh) * 2016-02-29 2016-07-20 东南大学 一种基于二维层状材料的纳米孔传感器件及其构建方法
CN105838592A (zh) * 2016-05-13 2016-08-10 北京交通大学 Dna测序装置及制作方法
CN106586952A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 南开大学 高成功率的碳纳米管单分子结制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103364445A (zh) * 2012-03-30 2013-10-23 国际商业机器公司 识别生物分子的纳米器件、方法以及区分碱基的方法
JP2014049628A (ja) * 2012-08-31 2014-03-17 Osaka Univ 二端子多経路確率共鳴素子
CN103789204A (zh) * 2012-10-29 2014-05-14 中国科学院微电子研究所 石墨烯测序器件及其制造方法
CN103196962A (zh) * 2013-04-18 2013-07-10 苏州大学 氧化石墨烯薄膜立式微纳结构气敏传感器及其制备方法
CN105779279A (zh) * 2016-02-29 2016-07-20 东南大学 一种基于二维层状材料的纳米孔传感器件及其构建方法
CN105838592A (zh) * 2016-05-13 2016-08-10 北京交通大学 Dna测序装置及制作方法
CN106586952A (zh) * 2016-12-14 2017-04-26 南开大学 高成功率的碳纳米管单分子结制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108298496A (zh) * 2018-03-13 2018-07-20 长春师范大学 一种基于光介电泳的石墨烯批量化装配方法
CN110455865A (zh) * 2019-07-25 2019-11-15 南开大学 一种多级控制电极间距连续变化的机械可控裂结装置及方法
CN110455865B (zh) * 2019-07-25 2022-02-18 南开大学 一种多级控制电极间距连续变化的机械可控裂结装置及方法
WO2021056188A1 (en) * 2019-09-24 2021-04-01 Peking University Electrical conductors and methods of conducting ions using calsequestrin proteins
CN113548642A (zh) * 2021-07-21 2021-10-26 南开大学 一种片上连续可控间隙的石墨烯纳米电极对阵列的制备方法
CN115636389A (zh) * 2022-10-14 2023-01-24 南开大学 基于压电片可控纳米间隙的单分子结制备方法和应用

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