本發(fā)明屬于材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空氣納米間隙電極的制備方法。

背景技術(shù)：

納米器件作為新一代電路元件，具有低能耗、高集成性等特點(diǎn)。但是，電子器件的微型化相對(duì)發(fā)展緩慢，這在一定程度上限制了電子工業(yè)的快速發(fā)展。因此，為了在納米尺度甚至分子尺度檢測(cè)材料性質(zhì)，制備納米器件或電路顯得尤為重要^[1]。憑借優(yōu)異的特性和潛力，納米間隙電極充當(dāng)電子設(shè)備的構(gòu)筑基元已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注，它們與有機(jī)分子或其他納米尺寸組分集成，能夠展現(xiàn)轉(zhuǎn)換器、晶體管的功能，用于檢測(cè)或感應(yīng)等應(yīng)用的研究^[2]。

目前，一些制備納米間隙電極結(jié)構(gòu)的方法主要集中在電子束刻蝕^[3]、聚焦離子束刻蝕^[4]、線(xiàn)上刻蝕^[5]等方法。雖然這些方法都有自己的特點(diǎn)，但是對(duì)于傳統(tǒng)刻蝕而言，想要以精確可控的方式制備納米間隙電極仍然存在很多挑戰(zhàn)，快速高效地大量制備納米間隙電極是構(gòu)筑納米器件關(guān)鍵步驟。雖然以單分子或組裝單分子層作為電介質(zhì)層的納米間隙電極已經(jīng)被廣泛的研究，但是由于缺少精確可控的制備方法，對(duì)空氣作為絕緣電介質(zhì)層的納米間隙電極的系統(tǒng)研究很難實(shí)現(xiàn)，在很大程度上限制了納米間隙電極作為電子器件的應(yīng)用。發(fā)展一種簡(jiǎn)單快速，高度可控的制備方法，對(duì)電子器件的快速發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明解決的問(wèn)題為：提供一種簡(jiǎn)單快速、高度可控的空氣納米間隙電極的制備方法。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種空氣納米間隙電極的制備方法，步驟如下：

s1：選取單晶硅片作為基底，將單晶硅片進(jìn)行表面處理以后吹干待用；

s2：取一個(gè)聚四氟乙烯掩板，在聚四氟乙烯掩板上開(kāi)設(shè)多個(gè)均勻分布的矩形鏤空，將聚四氟乙烯掩板覆蓋在單晶硅片表面，在真空條件下，于聚四氟乙烯掩板的矩形鏤空上進(jìn)行熱蒸發(fā)沉積金屬金，于單晶硅片表面形成矩形金膜圖案，去掩板，然后通過(guò)3~15ml光固化樹(shù)脂覆蓋矩形金膜圖案，固化后通過(guò)光固化樹(shù)脂粘附矩形金膜圖案一并從單晶硅片上脫離；

s3：將上述光固化樹(shù)脂粘附的矩形金膜圖案通過(guò)步驟s2中的聚四氟乙烯掩板進(jìn)行二次覆蓋，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形鏤空與矩形金膜圖案的寬度方向存在60~70%的偏移；然后置于真空條件下，在聚四氟乙烯掩板的矩形鏤空上先后熱蒸發(fā)沉積間隔層和金屬金，形成部分交疊的金-間隔層-金的矩形三明治結(jié)構(gòu)圖案；取1~3ml光固化樹(shù)脂覆蓋在金-間隔層-金的矩形三明治結(jié)構(gòu)圖案上進(jìn)行固化；

s4：將步驟s3中的金-間隔層-金的矩形三明治結(jié)構(gòu)圖案逐一進(jìn)行分離，置于制備樣品模塊的凹槽當(dāng)中，添加光固化樹(shù)脂之后進(jìn)行固化，形成長(zhǎng)方體適合切割的樣品模塊；將該樣品模塊一端圍繞著膜圖案修整成適合金剛石刀寬度的尺寸，并將修整后的樣品模塊固定于超薄納米切片機(jī)中，利用2~4mm寬的金剛石刀，以0.6~1.2mm/s的速度垂直膜圖案平面的方向切割樣品模塊為厚度50~400nm的切割薄片，然后收集到目標(biāo)基底上；

s5：將步驟s4制得的樣品模塊置于反應(yīng)性離子刻蝕機(jī)中進(jìn)行刻蝕以除去光固化樹(shù)脂基體以及間隔層，在基底上得到由兩條毫米長(zhǎng)的金納米線(xiàn)部分交疊構(gòu)成的空氣納米間隙電極。

進(jìn)一步，所述的步驟s1中單晶硅片的通過(guò)丙酮和乙醇沖洗后，然后氮?dú)獯蹈?，最后置于空氣等離子體清洗機(jī)中處理2~4min；或者，單晶硅片利用酸洗液加熱清洗60min，然后利用水、乙醇沖洗，最后氮?dú)獯蹈伞?/p>

進(jìn)一步，所述的步驟s2中矩形金膜圖案寬為1~3mm、長(zhǎng)為2~15mm、厚度為100~200nm，固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min，沉積速率1~5?/s。

進(jìn)一步，所述的步驟s3中的間隔層為金屬銀或者二氧化硅，所述步驟s5中反應(yīng)性離子刻蝕機(jī)中的刻蝕氣體為氧氣或者四氟化碳；步驟s3中固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min。

進(jìn)一步，所述的步驟s3中間隔層厚度為2~30nm，金膜厚度為100~200nm。

進(jìn)一步，所述的步驟s5中刻蝕時(shí)間5~20min，刻蝕氣壓為5~10mtorr，刻蝕溫度10~20^oc，刻蝕氣體流速10~50sccm，刻蝕功率為100~200w。

進(jìn)一步，所述的步驟s2和步驟s4中光固化樹(shù)脂為硫醇烯類(lèi)，所用兩種單體為季戊四醇四-3-巰基丙酸酯和1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1h,3h,5h)-三酮，固化劑為2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；所述的固化劑比例為1wt%；在進(jìn)行步驟s2之前對(duì)單晶硅片進(jìn)行氟化處理。

進(jìn)一步，所述的步驟s4中收集切割薄片的目標(biāo)基底為玻璃片或者石英片平整的絕緣基底；步驟s4中固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min。

進(jìn)一步，所述的步驟s3保持聚四氟乙烯掩板上的矩形鏤空與矩形金膜圖案的寬度方向存在67%的偏移。

進(jìn)一步，所述的步驟s3中沉積速率0.1~5?/s。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明的制備方法操作簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)、適合大規(guī)模的生產(chǎn)，能夠在短時(shí)間制得大量納米電極，并且具備大面積制備的能力。本發(fā)明涉及薄膜制備技術(shù)、納米切割技術(shù)、掩板/去掩板技術(shù)以及刻蝕技術(shù)等。兩條超高長(zhǎng)徑比納米線(xiàn)由納米尺度空氣層分離構(gòu)成空氣納米間隙電極，通過(guò)改變犧牲間隔層的厚度，可以精確控制間隙尺寸，打破了分子間隙在分子尺度構(gòu)筑電極的限制。操作過(guò)程簡(jiǎn)單高效，短時(shí)間內(nèi)可以制備大量結(jié)構(gòu)與尺寸完全相同的電極，消除對(duì)每個(gè)電極都進(jìn)行電鏡表征所帶來(lái)的時(shí)間消耗，并且電極的三維尺寸可以被精確的控制。通過(guò)對(duì)不同尺寸空氣納米間隙電極的電學(xué)測(cè)試，電流密度與電壓成指數(shù)關(guān)系、與間隙寬度成線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明此電極的電荷傳輸機(jī)理是隧道效應(yīng)。

附圖說(shuō)明

圖1為制備空氣納米間隙的流程圖。

圖2為空氣納米間隙電極結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為施加0.5v電壓于空氣納米間隙電極所產(chǎn)生電流信號(hào)與納米間隙寬度的關(guān)系曲線(xiàn)。

其中，單晶硅片-1；聚四氟乙烯掩板-2；矩形金膜圖案-3；光固化樹(shù)脂-4；a：納米間隙的寬度；b：空氣納米間隙電極的長(zhǎng)度；c：空氣納米間隙電極的寬度；d：空氣納米間隙電極的高度；e：納米間隙的長(zhǎng)度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：?jiǎn)尉Ч杵奶幚?/p>

如圖1所示，選取單晶硅片1作為基底，將單晶硅片1進(jìn)行表面處理以后吹干待用，具體的，單晶硅片1的通過(guò)丙酮和乙醇沖洗后，然后氮?dú)獯蹈桑詈笾糜诳諝獾入x子體清洗機(jī)中處理2~4min；或者，單晶硅片利用酸洗液加熱清洗60min，然后利用水、乙醇沖洗，最后氮?dú)獯蹈伞?/p>

實(shí)施例2：切割用納米電極樣品模塊的制備

如圖1和2所示，于處理過(guò)的潔凈單晶硅片1表面固定一個(gè)帶有2mm寬、10mm長(zhǎng)的矩形孔的聚四氟乙烯掩板2，然后置于真空條件下，以2?/s的速度熱蒸發(fā)沉積金屬金，在聚四氟乙烯掩板2的掩蔽作用下，于硅片表面形成厚度為100nm的納米矩形金膜圖案。取6ml硫醇烯類(lèi)光固化樹(shù)脂4覆蓋矩形金膜圖案，固化劑比例為1wt%，在50w紫外光下固化5min后，光固化樹(shù)脂粘附著矩形金膜圖案一并從單晶硅片上脫離并將整張光固化樹(shù)脂翻轉(zhuǎn)，將相同的聚四氟乙烯掩板固定在矩形金膜圖案背面，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形孔與金膜圖案在寬度方向存在67%的偏移；然后置于真空條件下，以0.2?/s的速度于金膜圖案表面熱蒸發(fā)沉積間隔層，如金屬銀或者二氧化硅，緊接著以2?/s的速度沉積金屬金，形成部分交疊的金-間隔層-金的三明治結(jié)構(gòu)，間隔層厚度為5nm，金膜厚度為100nm。取2ml光固化樹(shù)脂覆蓋矩形三明治結(jié)構(gòu)圖案，在50w紫外光下固化5min；然后將制得的矩形三明治結(jié)構(gòu)圖案逐一分離，置于聚乙烯模具的矩形凹槽當(dāng)中，添加光固化樹(shù)脂之后，在50w紫外光下固化5min，形成長(zhǎng)方體樣品模塊。

實(shí)施例3：納米切割制備納米電極

利用刀片將長(zhǎng)方體樣品模塊圍繞著金膜圖案部分修整成方便切割的梯形體結(jié)構(gòu)模塊，梯形體的上底平面和下底平面與金膜圖案平面平行，并且下底寬度小于金剛石刀的寬度。將修整后的梯形體結(jié)構(gòu)模塊固定于超薄納米切片機(jī)的樣品卡盤(pán)中，首先利用玻璃刀進(jìn)行預(yù)切割，使得模塊梯形結(jié)構(gòu)端形成光滑的表面，再替換成3mm寬的金剛石刀，以1mm/s的速度以及垂直金膜平面的方向切割模塊成下底2.5mm、上底1.5mm、高1mm、厚100nm的梯形切割薄片。制得的切割薄片收集在玻璃片基底上，烘箱干燥備用。

實(shí)施例4：間隔層的刻蝕

將實(shí)施例3中制得的切割薄片置于反應(yīng)性離子刻蝕機(jī)中，氧或者四氟化碳反應(yīng)性離子刻蝕除去間隔層金屬銀，在基底上得到由兩條毫米長(zhǎng)的金納米線(xiàn)部分交疊構(gòu)成的空氣納米間隙電極?？涛g時(shí)間10min，刻蝕氣壓為10mtorr，刻蝕溫度20^oc，氧氣流速30sccm，刻蝕功率為200w。

實(shí)施例5：納米電極的電學(xué)測(cè)試

如圖3所示，構(gòu)成納米電極的兩條超長(zhǎng)金納米線(xiàn)末端都留有1mm左右的長(zhǎng)度用于電接觸，因此可以在顯微鏡下應(yīng)用銀膠滴涂于每條金納米線(xiàn)的末端形成接觸墊。電源的兩電極探針附有液態(tài)合金egain，與納米電極兩端的銀膠墊接觸形成回路，0~0.5v循環(huán)電壓施加于陽(yáng)極和陰極，產(chǎn)生電流信號(hào)，電流密度/電壓曲線(xiàn)為s型，電流密度與電壓呈指數(shù)關(guān)系，與間隙寬度呈線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明空氣納米間隙電極的電荷傳輸機(jī)理是隧道效應(yīng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。