CN111893527A - 纳米电极对及其制备方法 - Google Patents

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李莉
孙志梅
潘向萍
潘军
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

本发明涉及纳米电极对及其制备方法，包括以下步骤：在衬底上热氧化处理制备二氧化硅层，旋涂一层抗蚀剂，得到基材；在上述基材上通过微纳米加工方法制备一对双层金属电极对，其中，上层金属电极材料应采用金属活动顺序表中位于下层金属电极材料之前的金属；在上述双层金属电极对上覆盖电解液，通过金属沉积的方法，由双层金属电极对的上层金属与电解液之间的化学反应，并在下层金属电极材料的表面析出相同的金属，使双层金属电极对之间的间距减小，从而获得纳米间隙尺度的电极对，本发明采用双层金属作为电极材料，制备过程中牺牲上层金属并沉积下层金属，最终获得纳米尺度间隙的电极对，实现了纳米间隙高质量的可控性。

Description

纳米电极对及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米加工技术领域，具体为纳米电极对及其制备方法。
背景技术
纳米间隙电极对指的是最小部分的间距在纳米量级尺寸的一对电极，是将单个分子与宏观电路相连接的有利工具。通过在电极对之间填充特定分子，可获得具有特殊电学、光学、热学等特性的元器件，有助于实现微电子器件的小型化、高密度、多功能化。由于大多数分子的典型尺寸都处于几纳米的量级，制备出纳米间隙电极对就显得尤为重要。
现有制备纳米间隙对的工艺包括机械力断裂、电迁移断裂、电镀/化学镀、选区刻蚀等等，上述工艺都有或多或少存在不足之处，其中，机械力断裂、电迁移断裂的制备方法容易造成纳米间隙处的悬浮结构，稳定性差导致不利于重复利用，而常用的引入外加牺牲电极的电镀/化学镀的制备方法，容易造成间隙形貌不规则、容易碎屑污染、与现有微电子工艺不兼容等。因此，本发明旨在提供纳米间隙高质量可控性，并且能够提高纳米间隙处的结构稳定性，有利于重复利用的纳米电极对及其制备方法。
发明内容
本发明目的是提供纳米电极对及其制备方法，以解决现有技术中提出的具体问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：纳米电极对的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上热氧化处理制备二氧化硅层，旋涂一层抗蚀剂，得到基材；
2)在上述基材上通过微纳米加工方法制备一对双层金属电极对，其中，上层金属电极材料应采用金属活动顺序表中位于下层金属电极材料之前的金属；
3)在上述双层金属电极对上覆盖电解液，通过金属沉积的方法，由双层金属电极对的上层金属与电解液之间的化学反应，并在下层金属电极材料的表面析出相同的金属，使双层金属电极对之间的间距减小，从而获得纳米间隙尺度的电极对。
优选的，步骤1中所述二氧化硅层的厚度为300-500纳米。
优选的，步骤1中所述抗蚀剂的旋涂厚度为50-100纳米。
优选的，步骤2中双层金属电极对之间的间隙尺寸为0.3-3微米。
优选的，所述双层金属电极的下层金属为金、铂、钯、银、铜中的一种。
优选的，所述双层金属电极对的上层金属为铜、铁、锌、铝中的一种。
优选的，所述双层金属电极对的下层金属厚度为100-150纳米，上层金属的厚度为10-50纳米。
优选的，所述电解液与双层金属电极对的下层金属对应。
纳米电极对，采用上述任一项的制备方法制备而成。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明在制备纳米电极对时提供了一种操作简单的制备方法，采用双层金属作为电极材料，制备过程中牺牲上层金属并沉积下层金属，最终获得纳米尺度间隙的电极对，实现了纳米间隙高质量的可控性，并且相较于现有的引入外加牺牲电极等制备方法制备的悬浮状态的纳米间隙对，此方法制备的结构向下层金属沉积，可在金属腐蚀与清洗后重复使用，提高了电极对纳米间隙处的质量，大大降低了制备的成本。
附图说明
图1为本发明中双层金属电极对的结构示意图；
图2为本发明中实施例中制备的纳米电极对；
图3为图2中的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：纳米电极对的制备方法，包括如下步骤：
1)在P型硅片衬底1上热氧化制备厚度为500nm的二氧化硅层2，并旋涂厚度为60纳米的抗蚀剂；
2)确定曝光版图，在衬底1上根据曝光版图进行电子束曝光，光刻得到一对双层金属电极对3，所述双层金属电极对3之间的最短间距为300纳米，双层金属电极对3中任意一个双层金属电极为Zn/Au双层金属；
参阅图1，其中，下层金属31为Au，厚度为100纳米，上层金属32为Zn，厚度为50纳米；
其中，电子束光刻流程为清洗烘干，旋涂光刻胶、软烘、曝光、后烘、显影、硬烘、去胶，本实施例中电子束曝光使用100Kev电压，电子束流最大为10nA，电子束斑尺寸约25纳米，单次曝光剂量为5μC/cm2，曝光剂量设定从1500μC/cm2连续变化到2500μC/cm2，室温下，使用MIBK/IPA显影液显影50秒，用IPA定影液定影30秒，用氮气枪吹干。
3)在上述双层金属电极对3上覆盖浓度为2m mol/L的HAuCl4溶液作为电解液，双层金属电极对中的任一个电极均引入外接金属引线(引线的材料可以是上层金属的同种或排在上层金属活动顺序之前的金属材料)，设计电解回路，从而双层金属电极对3的上层金属Zn会还原出HAuCl4溶液中的三价金离子，并在双层金属电极对3的下层金属Au的表面析出Au，即可减小双层金属电极对3之间的间距，并形成纳米尺度的间隙，从而得到纳米尺度间隙的纳米电极对，如附图2和附图3；
化学反应原理如下：
2HAuCl4+4Zn＝4ZnCl2+2Au+H2
在上述实施例中，双层金属电极对的下层金属材料可以是金、铂、钯、银、铜中的一种，上层金属材料可以是铜、铁、锌、铝中的一种，若下层金属为Au，采用HAuCl4溶液或KAu(CN)2溶液；若下层金属为Pt，采用铂P盐[Pt(NH3)2(NO2)2]镀液，例如最常用的氨基磺酸镀液和磷酸-硫酸镀液；若下层金属为Ag，采用AgNO3溶液，若下层金属为Cu，采用CuSO4溶液等与下层金属对应可还原的电解液。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.纳米电极对的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底上热氧化处理制备二氧化硅层，旋涂一层抗蚀剂，得到基材；
2)在上述基材上通过微纳米加工方法制备一对双层金属电极对，其中，上层金属电极材料应采用金属活动顺序表中位于下层金属电极材料之前的金属；
3)在上述双层金属电极对上覆盖电解液，通过金属沉积的方法，由双层金属电极对的上层金属与电解液之间的化学反应，并在下层金属电极材料的表面析出相同的金属，使双层金属电极对之间的间距减小，从而获得纳米间隙尺度的电极对。
2.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：步骤1中所述二氧化硅层的厚度为300-500纳米。
3.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：步骤1中所述抗蚀剂的旋涂厚度为50-100纳米。
4.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：步骤2中双层金属电极对之间的间隙尺寸为0.3-3微米。
5.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：所述双层金属电极的下层金属为金、铂、钯、银、铜中的一种。
6.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：所述双层金属电极对的上层金属为铜、铁、锌、铝中的一种。
7.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：所述双层金属电极对的下层金属厚度为100-150纳米，上层金属的厚度为10-50纳米。
8.根据权利要求1所述的纳米电极对及其制备方法，其特征在于：所述电解液与双层金属电极对的下层金属对应。
9.纳米电极对，采用权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备而成。
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