制备间隔可调的纳电极的方法.pdf

制备间隔可调的纳电极的方法涉及纳米电极的加工和纳米制备，制备方法为：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－甲基丙烯酰胺双层胶，用电子束在该表面生成刻蚀槽，再向该表面蒸发金，在槽中形成金纳米线，将金纳米线与电阻、可调的直流电源和电流表串联，在金纳米线两端施加电压，调整电压大小使得流过金纳米线的电流强度为预设值，然后等待至电流突然降为零，此时金纳米线已经从中间处断开，断口处形成电极。电流强度预设值为0＜I＜10毫安。金纳米线厚度大于20纳米，小于50纳米，金纳米线的宽度在50～500纳米之间。

1、  一种制备间隔可调的纳电极的方法，其特征在于制备方法为：
a、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，
b、用电子束在该表面生成刻蚀槽，再向该表面蒸发金，在槽中形成金纳米线，
c、将金纳米线与电阻、可调的直流电源和电流表串联，在金纳米线两端施加电压，调整电压大小使得流过金纳米线的电流强度为预设值，然后等待至电流突然降为零，此时金纳米线已经从中间处断开，断口处形成电极。

2、  根据权利要求1所述的制备间隔可调的纳电极的方法，其特征在于电流强度预设值为0＜I＜10毫安。

3、  根据权利要求1所述的制备间隔可调的纳电极的方法，其特征在于金纳米线厚度大于20纳米，小于50纳米，金纳米线的宽度在50～500纳米之间。

制备间隔可调的纳电极的方法
                         技术领域
本发明是一种间隔可调的纳电极的制备方法，特别涉及纳米电极的加工和纳米制备。
                         背景技术
随着半导体工业和大规模集成电路的发展，单个半导体器件的尺寸越做越小，每平方厘米上可以容纳的器件数已经达到10⁹个，集成芯片在2002年已经做到0.13微米线宽，现在已有90nm线宽的报道。整个半导体工业的发展已经进入深亚微米时代，正在向纳米时代迈进，纳米器件将有可能逐渐取代微电子器件。当前一些特殊的纳米结构及分子已从原理上显示出良好的器件特性，并将成为纳米器件非常重要的组成部分。但是由于纳米结构及分子本身极小的尺度，从实用化的角度人们需要一种良好且稳定的电极作为纳米结构和分子与外部微电极的连接，这种电极由于其间隔很小(一般在几十纳米甚至更小)，故称为纳米电极，简称为纳电极。显然，性质稳定的纳电极对于人们探索和研究纳米结构和分子的物理特性也是必不可少的。
已有一些制备纳电极的报道，例如美国《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.2002 80 865)介绍利用电子束曝光法制备小于10纳米间隔的电极的方法，其主要步骤是：用电子束将衬底上的光刻胶曝光，刻蚀出模版，再将所需要的金属沉积在模版上；然后通过精确控制电子束照射到光刻胶上的能量和模版上光刻胶的显影时间，可以得到电极间隔小于10纳米的电极。这种方法对工艺的要求非常严格，对电子束能量和显影时间都有严格的要求，工艺难度大，制备纳电极的成本高。美国《科学》(SCIENCE 1997 278 252)提供了另一种制备纳电极的方法，其过程是将一根金属细丝的两端固定在一块弹性金属片上，然后慢慢弯曲金属片，使得金属丝从中间拉断，断裂处形成纳米量级的间隔。这种方法虽然可以得到间隔宽度精确的纳电极，但是由于需要保持电极始终处于拉开状态，所以这种电极很不稳定，易受外界环境的影响，不适合于大规模的工业化生产。美国《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.1999 75 301)还报道过利用半导体光刻技术和斜入射蒸发，配合电迁移制备纳米电极的方法，但是这样制备的电极谈不上可控性，成功率较低。
                      发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种利用电迁移原理快速制备可调纳米间隔的纳电极的方法。
技术方案：本发明的纳电极的制备方法，包括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，用电子束在该表面生成刻蚀槽，再向该表面蒸发金，在槽中形成金纳米线；其特征在于，此后的制备过程为：
将金纳米线与电阻、可调的直流电源和电流表串联，在金纳米线两端施加电压(如图1所示)，调整电压大小使得流过金纳米线的电流强度为预设值，然后等待至电流突然降为零，此时金纳米线已经从中间处断开，断口处形成电极。其中的电流强度预设值为0＜I＜10毫安。
本发明中的金纳米线厚度要大于20纳米，小于50纳米，太厚则会使得金纳米线不容易断裂，且断裂处的分界不明显，太薄则会使得金纳米电极的导电性降低；金纳米线的宽度在50～500纳米之间，当宽度大于500纳米时，不利于形成整齐的断口，小于50纳米时，纳米线容易出现缺陷；
本发明中流过金纳米线的电流预设值大小直接影响金纳米线断裂的速度和断裂处的尺寸，从图5可以看出不同的电流预设值下形成的电极的间隔尺寸的分布情况。当电流≥10毫安时，电迁移的效果很明显，金纳米线会在30秒内断裂，导致断裂后产生的间隙分布范围很广，从50纳米以下到100纳米以上都有，同时在断裂处容易产生随机分布的较大尺寸的金颗粒，这将极大影响电极的使用；当电流为8±1毫安时，此时金纳米线会在2～5分钟内断裂，但由于电迁移效应比较适中，此时断裂后的间隙主要都在50纳米以下，同时断裂处没有大的金颗粒，因此这种电极比较适合实际应用；当电流进一步降低，小到1毫安以下时，此时金纳米线上的电场不能产生足够的电迁移效果使得金纳米线断裂，但是等待足够长的时间(至少5分钟)，由于电流的焦耳热效应和电迁移效应的共同作用，金纳米线发生断裂，但此时断裂处的开口间隔比较大，一般都大于100纳米；所以我们可以根据不同地实际需要，通过调整电流强度的预设值，从而得到不同间隔尺寸的纳电极。
有益效果：本发明利用电流控制的电迁移原理制备的纳米电极，装置简单，比较适合工业化大生产，相对直接用电场控制断裂，电流控制金纳米线断裂的制备条件简单，对半导体工艺有更多的兼容性，适应性强，能够得到比较稳定的断裂面形状，成品率高，而且可以大规模快速的生产，可为今后纳米器件制备奠定基础
                        附图说明
图1是本发明的制备过程示意图：其中有金纳米线1，电阻2，可调的直流电源3，电流表4。
图2是利用电子束曝光制备的金纳米线；
图3是利用本发明制备得到的40纳米电极；
图4是利用本发明制备得到的180纳米电极；
图5是不同电流制备得到的电极间隔的统计结果；
                         具体实施方式
实施例1：
1、制备金纳米线。在二氧化硅衬底1上涂聚甲基丙烯酸甲酯/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双层胶表面刻蚀出宽度约为200纳米的槽，所采用的电子束的加速电压为20千伏，束斑大小为0.1微米；再利用热蒸发装置在该表面蒸上约30纳米厚的金，由此在槽中沉积形成金纳米线；蒸发金时，真空度须高于1.0×10^-3帕，控制二氧化硅衬底温度为室温，蒸发的金膜厚度可通过监控仪控制；然后用离子束刻蚀机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去掉，即得到金纳米线1；
2、用氧焰灼烧上述制备的金纳米线表面，然后放入酒精溶液中清洗，将表面清洗干净；
3、将步骤1得到并经步骤2处理过的金纳米线和一个10千欧姆的电阻2串联起来，然后再串联一个可调的直流电源3和一个电流表4，调节电压使得电路中的控制电流的设置值为9毫安，在电场的作用下，由于电迁移效应，3分钟内，金纳米线发生断裂，导致电路中的电流突然下降为零，得到纳电极样品A，即电极间隔为40纳米；
4、重复上述步骤1、2和3，但在步骤3中将控制电流设设置值为1毫安，等待约10分钟后电路中电流为零，得到纳电极样品B，即电极间隔为180纳米；
5、用扫描电子显微镜分别观察步骤3制备的纳电极A和B，得到的结果如图3和图4所示，可以看出纳电极A中电极间隔为40纳米，而纳电极B中电极间隔为180纳米。