CN1156019C - 分子隧道二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米技术的应用，特别涉及纳米尺度的二极管及其制造方法。它包括有两个被分别吸附在两个金属纳米电极上的C60分子，两个电极长在同一块二氧化硅衬底上。其制造方法为先用电子束刻蚀方法在二氧化硅衬底上生成刻蚀槽、蒸发金或铜或银在槽中形成金属纳米线；然后在该线两端加电压，使其断裂形成两个纳米电极；此后配制浓度为0.1到1毫摩尔浓度的C60甲苯溶液；再将该溶液沉积在上述电极上，则吸附在两个电极端头、距离最近的两个C60分子构成具有负微分电阻效应的分子隧道二极管。

Description

分子隧道二极管及其制造方法
技术领域
本发明涉及纳米技术的应用，特别涉及纳米尺度的二极管及其制造方法。
背景技术
随着半导体工业的飞速发展，超大规模集成电路中的电子元件尺寸已经达到0.15微米，传统的制造工艺已经接近尺度的经典极限，而且在更小的尺度下，量子效应越来越显著，不能用经典的电路理论来解释。隧道二极管是以量子遂穿效应为基础的电子器件。其电学特征表现为：在测量其伏安(I-V)特性曲线时，在某一电压区域，随着电压的增大，电流反而减小，即在这一区域，电流对电压的微分为负数，这一区域称为负微分电导区。对不同类型的隧道二极管而言，其产生负微分电阻现象的机制不一样。例如，对于江崎隧道二极管，当重掺杂n型区禁带上面的占据态与重掺杂p型区的禁带在能量上重叠时，电子遂穿几率会突然降低，出现负微分电阻；而双结共振遂穿器件负微分电阻效应的出现则是由于电子波函数的干涉。由于电子遂穿时间极短(10-13～10-16秒)，因此它在高速(毫米波段)电子应用方面有相当的成就，如高速开关，高频振荡器，以及锁频电路等。从目前的情况看，虽然其应用技术日趋成熟，但仍然局限于宏观尺度。
近年来，科学家在构造和组装分子尺度上的器件方面取得了不少重要成果，已设计出了类似齿轮、开关、转栅等宏观尺度简单装置的分子器件。在这些分子器件的构造中，特殊的分子构型和在物理、化学变化中特有的性质起到了关键作用。美国波斯顿(Boston)大学T.Ross Kelly等人用化学方法合成的分子“马达”能实现单向的旋转运动(T.R.Kelly，H.Silva，R.A.Silva，Nature，1999，401，150)；IBM的Gimzewski等人利用扫描隧道显微镜和C60分子构造了第一个单分子放大器，其电压增益为5，开关能耗仅为10-8J，比现有固体开关电路都要小104倍，其理想工作频率可高达8THz(C.Joachim，J.K.Gimzewski，Proceedings ofthe IEEE，1998，86，184)。虽然科学家们在纳米器件探索上取得一定进展，但还远远不足于使其成熟到投入大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种纳米尺度的基于负微分电阻效应的分子隧道二极管及其制造方法。
本发明的目的由以下方式来实现。
本发明所述的分子隧道二极管，其特征在于，它包括有两个C60分子，它们被分别吸附在两个金属纳米电极上，两个C60分子的间距为0.5-3纳米，所述两个金属纳米电极通过电子束刻蚀与金属蒸发技术相结合方法长在同一块二氧化硅衬底上，所述两个金属纳米电极中所用的金属是金，或者是铜，或者是银。
制造本发明所述的分子隧道二极管的方法，包括首先在二氧化硅衬底上涂聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)双层胶作为电子束抗蚀剂，用电子束刻蚀方法在该表面生成刻蚀槽、蒸发金或铜或银金属在槽中形成该金属纳米线；然后在金属纳米线两端加电压，使金属原子在电场作用下迁移，使得金属纳米线断裂形成两个纳米电极；此后的制备过程为：
(1)将纯度为99％到99.9％的C60溶于分析纯的甲苯溶液中，配制得到浓度为0.1到1毫摩尔浓度的C60的甲苯溶液；
(2)将上述C60的甲苯溶液沉积在两个金属纳米电极上。在金属与C60分子的相互作用下，两个金属纳米电极上分别吸附上C60分子，其中吸附在两个电极端头处、距离最近的两个C60分子就构成具有负微分电阻效应的分子隧道二极管。
本发明所述的分子隧道二极管，以吸附在金纳米电极上的两个C60分子作为隧穿结，具有很好的负微分电阻效应。由于隧穿电极之间的隧穿电流随着距离的增大而呈指数迅速衰减，因此两个电极之间的电流主要通过分别吸附在这两个电极上的距离最近的C60分子，而其它的吸附C60分子对隧穿电流基本没有贡献。因此两个电极上距离最近的这两个吸附C60分子就构成分子隧道二极管。对由上述方法制造的分子隧道二极管进行伏安特性曲线测量，结果表明在2.4伏到3.2伏的区间内出现稳定的负微分电阻效应。在负微分电阻区，峰电流(Ip)与谷电流(Iv)之比为1.6。对于隧道二极管而言，遂穿电极是否具有稳定的负微分电阻特性是十分重要的。从分子尺度负微分电阻效应的角度看，当两个电极都具有很窄的电子结构时，其伏安特性曲线会出现负微分电阻现象。C60分子结构具有很高的对称性(Ih点群)，其分子能级间并度高，并且能级间隔宽。也就是说C60分子具有很窄的电子结构。因此C60分子是负微分电阻遂穿结的理想元件。另一方面，金属电极对吸附于其上的C60的影响也不会破坏C60窄的电子结构。所以以两个C60分子作为遂穿结，会出现负微分电阻效应。能够预料，这种分子隧道二极管在纳米尺度的微电路中将有十分广阔的应用前景。
附图说明
以下通过实施例附图作进一步说明。
图1是本发明所述的分子隧道二极管的一种结构示意图。
图2是对图1所示实施例的分子隧道二极管测得的伏安特性曲线。
具体实施方式
参见图1，(1)为二氧化硅衬底，(2)为长在衬底上的两个金的纳米电极，两个电极的相对端头为弧形；(3)为吸附在纳米电极端头处的两个C60分子。
由图2表明，在测量如图1的二极管所得的伏安特性曲线中，出现了隧道二极管特有的负微分电阻效应。在负微分电阻区，峰电流(Ip)与谷电流(Iv)之比为1.6。
实施例1
1.根据文献(D.L.Klein，R.Roth，A.K.L.Lim，A.P.Alivisatos，and P.L.McEuen，Nature，1997，389，699；H.Park，A.K.L.Lim，A.P.Alivisatos，J.Park，P.L.McEuen，Appl.Phys.Lett.1999，75，301)提供的方法制备金属纳米电极，即
(1)在二氧化硅衬底上涂上聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)(PMMA/P(MMA-MAA))双层胶作为电子束抗蚀剂。用电子束刻蚀方法在该表面刻蚀出宽约为200纳米的槽，电子束的加速电压为20千伏，束斑大小为0.1微米。再蒸发约15纳米厚的金，在槽中形成金纳米线。蒸发金时，真空度高于1.0×10-3Pa，二氧化硅衬底温度为室温，蒸发量用膜厚监控仪控制。然后把聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)双层胶经等离子体去掉；
(2)在金纳米线两端加一电压。当电压达到470mV时，金原子在电场作用下迁移，使金纳米线断裂，断裂处的金电极约为30纳米宽，5纳米厚。裂缝间隙约为3纳米。其端部曲率半径为5纳米。
2.将纯度为99％的C60溶于分析纯的甲苯溶液中，浓度为1毫摩尔浓度。把C60的甲苯溶液滴在相距约为3纳米的金纳米电极上，在金与C60分子的相互作用下，两个金纳米电极上将吸附上C60分子，吸附在两个电极端头处、距离最近的两个C60分子形成了具有负微分电阻效应的分子隧道二极管。
实施例2
以铜代替金，制作铜纳米线，即可制得铜的纳米电极。其它操作步骤与实施例1相同，使两个铜纳米电极上分别吸附上C60分子。则吸附在两个纳米电极端头处、距离最近的两个C60分子形成了具有负微分电阻效应的分子隧道二极管。

Claims (5)

1.一种分子隧道二极管，其特征在于，它包括有两个C60分子，它们被分别吸附在两个金属纳米电极上。
2.如权利要求1所述的分子隧道二极管，其特征在于，两个C60分子的间距为0.5-3纳米。
3.如权利要求1所述的分子隧道二极管，其特征在于，所述两个金属纳米电极通过电子束刻蚀与金属蒸发技术相结合方法长在同一块二氧化硅衬底上。
4.如权利要求1所述的分子隧道二极管，其特征在于，所述两个金属纳米电极中所用的金属是金，或者是铜，或者是银。
5.一种制造分子隧道二极管的方法，包括首先在二氧化硅衬底上涂聚甲基丙烯酸甲酯/聚(甲基丙烯酸甲酯-甲基丙稀酰胺)双层胶作为电子束抗蚀剂，用电子束刻蚀方法在该表面生成刻蚀槽、蒸发金或铜或银金属在槽中形成该金属纳米线；然后在金属纳米线两端加电压，使金属原子在电场作用下迁移，使得金属纳米线断裂形成两个纳米电极；其特征在于，此后的制备过程为：
(1)将纯度为99％到99.9％的C60溶于分析纯的甲苯溶液中，配制得到浓度为0.1到1毫摩尔浓度的C60的甲苯溶液；
(2)将上述C60的甲苯溶液沉积在两个贵金属纳米电极上，两个金属纳米电极上分别吸附上C60分子，其中吸附在两个电极端头处、距离最近的两个C60分子就构成具有负微分电阻效应的分子隧道二极管。
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