含門電極的納米電極對的製備方法及所製備的納米電極對的製作方法
2023-06-15 04:47:31 2
專利名稱：含門電極的納米電極對的製備方法及所製備的納米電極對的製作方法
技術領域：
本發明涉及納米材料領域，具體涉及一種含門電極的納米電極對的製備方法及所 製備的納米電極對。
背景技術：
隨著科學技術的發展，單個晶片上集成的電晶體數目按指數增長，相應的單個器 件的尺寸也越變越小。隨著尺寸的減小，將達到傳統器件所能滿足的極限，摩爾定律也將失 效。為了適應這一發展，納米器件甚至分子器件將是未來的發展重點。為了研究納米器件 的電學性質，把納米器件連接到外電路是必要的。因此我們必須發展一種製備納米尺度的 電極對的方法。人們已經發展出了一些製備納米電極對的方法。主要方法包括1.採用光亥Ij 或 EBL 或 FIB 的方法(Steinmann，P. and J. Μ.R.Weaver (2004). " Fabrication of sub_5nm gaps between metallic electrodesusing conventional lithographic techniques. " Journal of VacuumScience & Technology B 22(6) :3178_3181)，這種方法能製備含門電極的納米電 極對，但是對電極的形貌控制不是很好；2.機械拉伸細金屬絲從而在中間形成納米電極對的方法(M.A.Reed etal, Conductance of a molecular junction, Science 278,252 (1997))；3.電化學沉積的方法(C. Z. Li, X. E. He, and N. J. Tao, Quantizedtunneling current in the metallic nanogaps formed by electrodepositionand etching,Applied Physics letters 77,3995(2000))；4. % ii # (electromigration) J^ ^ (H. Park, A. K. L. Lim, Alivisatos, A. P. , et al. , Fabrication of metalIi celectrodes with nanometerseparation by electromigration, Applied Physics Letters 74,301(1999))；第 2、3、4 種方法可以產生 幾個納米的電極對，但這些方法很難形成門電極；5.利用碳納米管為阻擋層，結合電子束曝光，製備納米尺度的電極對 (Chung, J. H. , K. H. Lee, et al. (2003). " Nanoscale gap fabricationby carbon nanotube-extracted lithography (CEL). 「 Nano Letters 3(8) : 1029-1031)，這禾中方法對 電極形貌控制比較好，但是尚未發展出製備包含門電極的納米電極對的方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種含門電極的納米電極對的製備方法及所製備的納米 電極對。一方面，本發明提供一種含有門電極的納米電極對的製備方法，包括以下步驟步驟一、在基底上製備碳納米管十字架構型，所述碳納米管十字架構型至少中心 部分懸空於基底上方；
步驟二、以所述碳納米管十字架構型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構型的中心 位置製備第一對電極和第二對電極，所述第一對電極和所述第二對電極的每對中的兩個電 極彼此相對；
步驟三、去除所述碳納米管十字架構型。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述步驟一包括步驟A、在所述基底上製備兩對輔助電極，其中第一對輔助電極將第一根碳納米管 懸空的固定在所述基底上，第二對輔助電極中的兩個電極分別位於所述第一根碳納米管兩 側；步驟B、在所述第二對輔助電極的兩個電極之間施加交變電場，將第二根碳納米管 拉到所述第二對輔助電極之間，所述第二根碳納米管和第一根碳納米管組成所述碳納米管 十字架構型。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述步驟A包括製備含碳納米管的懸濁液；在所述基底上塗覆第一層光刻膠，然後在所述第一層光刻膠上添加所述含碳納米 管的懸濁液，對沉積在所述第一層光刻膠上的所述第一根碳納米管進行定位，並在其上塗 覆第二層光刻膠；利用曝光、顯影和蒸鍍技術在塗覆有光刻膠的所述基底上製作所述兩對輔助電 極；進行去膠程序。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述第一層光刻膠厚度為80-120 納米，所述第二層光刻膠厚度為200-300納米。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述步驟二中，所述第一對電極 和所述第二對電極的製備是在所述碳納米管十字架構型上塗覆一層光刻膠，然後利用曝 光、顯影以及蒸鍍技術實現的，並且在製備好所述第一對電極和所述第二對電極之後，包括 去膠程序。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述光刻膠厚度為400-600納米。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，在施加所述交變電場時，所述第 二對輔助電極與一電阻串聯，所述電阻的阻值大於20兆歐姆。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述第一對電極和第二對電極的 厚度小於所述碳納米管十字架構型距離所述基底的距離。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述基底為Si或SiO2，所述碳納 米管為利用電弧放電法製備的多壁碳納米管。如上所述的含門電極的納米電極對的製備方法，所述去除所述碳納米管十字架構 型的步驟是通過利用600度左右的溫度熱氧化實現的。另一方面，本發明提供一種含門電極的納米電極對，其實採用如上所述的含門電 極的納米電極對的製備方法製備的。根據本發明的技術方案相對已有技術具有如下優點1)可以利用不同粗細的碳納米管做阻擋層，從而製備出不同間距的納米電極對。電極的形貌可以由納米管粗細，納米管十字架構型距離基底的距離等參數控制。2)以往利用碳納米管為阻擋層製備納米電極對的方法都沒有含門電極，而此方法 製備的納米電極對包含兩個門電極。
下面參照附圖和實施例作進一步描述。圖la)為不含門電極的納米電極對的結構示意圖；圖lb)為含一個門電極的納米電極對結構示意圖；圖2為根據本發明的實施例製備含兩個門電極的納米電極對的方案示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對含門電極的納米電極對製備方法進行詳細地說明一、在基底上製備至少中心部分懸空的多壁碳納米管十字架構型，具體過程如 下(a)、首先，採用電弧放電法製備多壁碳納米管，之所以採用這種方法而不是化學 氣相沉積(CVD)法就在於電弧放電法製備的多壁碳納米管硬度比較好也比較直。取少量制 備出的多壁碳納米管放入酒精試管中，採用超聲分散約半個小時，製備得到多壁碳納米管 懸濁液。(b)、參考圖2(a)，為了和現在的矽電子工藝兼容，我們採用Si/Si02基底，先在基 底上塗覆IOOnm厚的光刻膠(此為第一層光刻膠)，這裡我們採用聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methylmethacrylate, PMMA)，然後在基底上滴加一定量含多壁碳納米管的懸濁液。這裡 第一層光刻膠的厚度決定了後面懸空的多壁碳納米管距離基底的距離，所以其厚度不能太 大，也不宜太小，以80-120nm為宜，這裡我們優選lOOnm。而且，懸濁液要求分散性好，濃度 低，這樣便於在基底上分離出單獨的一根多壁碳納米管(第一根多壁碳納米管)而不是多 壁碳納米管團或者束。本實施例中，採用電子顯微鏡，利用基底上的三個十字形標記對沉積 在基底上的第一根多壁碳納米管進行定位。參考圖2(b)，在已經沉積第一根多壁碳納米管 的基底上再旋塗一層PMMA (第二層光刻膠)，為了保證曝光效果，這裡第二層光刻膠要比第 一層厚點，以200納米到300納米為宜，這裡我們優選的採用260納米厚的PMMA ；(c)、參考圖 2(c)，利用電子束曝光技術(Electron Beam Lithography, EBL，設備 型號為Raith 150)在第一和第二層光刻膠上定義所需要的輔助電極圖形，這裡的輔助電 極為四個長條狀電極。然後利用標準的顯影溶液(3比1的甲基異丁基酮(MIBK)與異丙醇 (IPA)溶液)去掉曝光的圖形部分；進行第一次熱蒸鍍以製作輔助電極，先蒸鍍20nm厚的 鎳(為了提高後面蒸鍍的金電極和基底的附著力)，之後蒸鍍IOOnm厚的金(也可以採用 鎳，鉬等金屬)。如圖所示，其中兩個(第一對)輔助電極a、b將基底上的第一根多壁碳納米 管固定在基底上(輔助電極a、b之間的距離根據第一根多壁碳納米管的長度適當選取，僅 用於起固定作用)，這裡所蒸鍍的第一對輔助電極厚度要比第一根多壁碳納米管距離基底 的距離大，所以第一對輔助電極可以把第一根多壁碳納米管固定在基底上；另外兩個(第 二對)輔助電極分別位於第一根多壁碳納米管兩側，第二對輔助電極的兩輔助電極間距約 為2微米，第二對輔助電極的連線與所述第一根多壁碳納米管之間的夾角為60-120度，優選為90度。(d)、隨後進行去膠(lift-off)程序，清除基底上的光刻膠從而就獲得了具有懸 空的第一根多壁碳納米管的納米器件，第一根多壁碳納米管離基底大約IOOnm左右； (e)、參考圖2(d)，在基底上滴加一定量含多壁碳納米管的懸濁液，在基底上的第 二對輔助電極之間施加交變電場，採用電泳的方法將一根多壁碳納米管(第二根多壁碳納 米管)拉到第二對輔助電極之間，該第二根多壁碳納米管和第一根多壁碳納米管就組成了 多壁碳納米管的十字架構型，如圖所示。由於懸濁液中的多壁碳納米管大概2到10個微 米長，遠遠比第一根多壁碳納米管距離基底的距離大，而且懸空的第一根多壁碳納米管由 於重力是略微下垂的，又考慮到這根碳納米管的阻擋，所以我們把懸濁液滴上去後，其中的 多壁碳納米管在液體裡不斷的布朗運動的過程中，從第一根碳納米管上部被吸到第二對輔 助電極之間的概率遠遠大於從第一根碳納米管的下部被吸到第二對輔助電極之間的概率 大。如果第二根多壁碳納米管從第一根碳納米管的上部被吸到第二對輔助電極之間，則其 受到第一根多壁碳納米管的支撐而懸空，即使兩端部分會一定程度下垂，但至少其中心部 分(即與第一根多壁碳納米管相交部分附近)懸空。但如果懸濁液中的多壁碳納米管從第 一根碳納米管的下部被吸到第二對輔助電極之間，這樣的多壁碳納米管十字架構型不符合 要求，需要重新進行以上步驟製作符合要求的多壁碳納米管的十字架構型，以保證第二根 碳納米管同樣懸空。其中，所施加的交變電場的峰值可為1到5個伏特，具體根據第二對輔助電極間距 決定，間距越大，所需電壓也應該越大，這裡採用2個伏特的5兆赫茲左右的交變電場，這裡 電場可以用頻率為50千赫茲到50兆赫茲的正弦，三角波，方波等各種波形的交變電場。為 了保證第二對輔助電極之間只拉上一根多壁碳納米管，可以與第二對輔助電極串聯了一個 阻值為100ΜΩ的大電阻(該電阻的阻值也可以為大於20ΜΩ的其它值)。並且還可以串 聯一個監控的納安表，然後不斷的滴加多壁碳納米管懸濁液，當第二根多壁碳納米管被拉 到第二對輔助電極之間後，第二對輔助電極之間就會導通，此時電流增大，出現一個電流躍 變。由於我們串聯了一個大電阻，當拉上所述第二根多壁碳納米管(其導電性能良好)後， 迴路導通，電流增大，從而交變電場幾乎都加在串聯的大電阻上，第二對輔助電極之間的電 壓減小，從而阻止拉上更多的多壁碳納米管，並且監控的納安表信號變大，說明可能已經成 功形成多壁碳納米管十字架，此時我們不再滴加多壁碳納米管懸濁液。二、以上面所得的多壁碳納米管十字架構型為阻擋層，在多壁碳納米管十字架構 型的中心附近製備兩對電極，具體步驟如下參考圖2(e)，用前面製備的多壁碳納米管十字架為阻擋層，採用電子束曝光、顯影 以及熱蒸鍍的方法蒸鍍一個以多壁碳納米管十字架構型的交叉點為中心的十字形，該十字 形相對於多壁碳納米管十字架構型大體偏轉45度，並且構成十字形的兩個交叉的條形部 的寬度均約為lOOnm。由於有多壁碳納米管十字架阻擋，蒸鍍所得到的將是如圖2(f)所示 的在多壁碳納米管十字架的四個對角處的四個電極——電極1、2、3、4(即兩對彼此交叉的 電極第一對電極和第二對電極，每對電極的中的兩個電極彼此相對)。具體方法同步驟 3、4類似，先在基底上旋塗一層PMMA(第三層光刻膠)，由於基底上已經有一定高度的電極 了，為了保證良好的曝光和顯影，其厚度比第二層光刻膠厚一些，可以為400-600nm，優選為 500納米；按照上述欲形成的納米電極對的圖形進行電子束曝光。然後，進行第二次熱蒸鍍，熱蒸鍍層厚度為50個納米，注意第二次熱蒸鍍的電極厚度要比多壁碳納米管距離基底 的距離小，所以所形成的十字形電極在多壁碳納米管下部，多壁碳納米管只起阻擋層作用 進而在十字形電極的交叉部分形成間隙，但不能被電極壓住。由於第二次熱蒸鍍所得到的 電極位於多壁碳納米管十字架構型的中心(交叉點)附近，且其尺寸相對於第一次蒸鍍時 兩對輔助電極之間的間距小，所以所述兩對輔助電極位於所得的交叉電極的外圍，故在圖 2(f)中未示出。隨後，進行去膠(lift-off)程序，清除基底上的光刻膠。
三、去除多壁碳納米管十字架構型，具體如下如圖2 (g)，用熱氧化的方法，從步驟二所得的所述含碳納米管十字架構型的納米 器件中去除所述碳納米管十字架構型，剩下的就是我們需要的含門電極的納米電極對，這 裡我們採用熱氧化的方法。我們提到的熱氧化是指在空氣環境下，在石英管式爐內用600 度左右的溫度將所得的納米器件加熱2個小時左右，使得多壁碳納米管被氧化，而金電極 由於高熔點和良好的抗氧化性能會比較好的保留下來，最終形成含門電極的納米電極對。 利用多壁碳納米管十字架構型為阻擋層，蒸鍍得到的第一對電極(電極1、2)和第二對電極 (電極3、4)，如果其中一對電極，例如電極1和電極2做用作電極，那麼電極3、4就是門電 極。其中，所得的納米電極對間距由所採用的多壁碳納米管的粗細決定，用作阻擋層的多壁 碳納米管越粗，所得的納米電極對間距越大，本實施例中，所得的納米電極對間距為5nm左 右ο當然，根據需要，我們也可以製作其它形狀的電極，這些均可以通過電子束曝光時 曝光形狀的適當改變而實現。所述第一對電極和第二對電極之間的夾角可以根據需要適當 改變，例如，在60-120度之間改變。雖然上面實施例中採用Si/Si02作為基底，但根據具體需要基底可以採用其他材 料。同樣，應該理解，雖然本例中的光刻膠採用PMMA，但是在其它情況下也可以採用適於 電子束曝光的其它光刻膠。另外，本例中優選採用多壁碳納米管作為阻擋層，但是原則上 來講，單壁碳納米管也可以，但是單壁碳納米管較細，用它做阻擋層製備的電極間隙雖然很 小，如果蒸鍍設備性能不好，電極容易導通，而採用多壁碳納米管制備的電極間距稍微大 點，但是不容易導通。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求範圍當中。
權利要求
一種含有門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一、在基底上製備碳納米管十字架構型，所述碳納米管十字架構型至少中心部分懸空於基底上方；步驟二、以所述碳納米管十字架構型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構型的中心位置製備第一對電極和第二對電極，所述第一對電極和所述第二對電極的每對中的兩個電極彼此相對；步驟三、去除所述碳納米管十字架構型。
2.根據權利要求1所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所述步驟 一包括步驟A、在所述基底上製備兩對輔助電極，其中第一對輔助電極將第一根碳納米管懸空 的固定在所述基底上，第二對輔助電極中的兩個電極分別位於所述第一根碳納米管兩側；步驟B、在所述第二對輔助電極的兩個電極之間施加交變電場，將第二根碳納米管拉到 所述第二對輔助電極之間，所述第二根碳納米管和第一根碳納米管組成所述碳納米管十字 架構型。
3.根據權利要求2所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所述步驟A 包括製備含碳納米管的懸濁液；在所述基底上塗覆第一層光刻膠，然後在所述第一層光刻膠上添加所述含碳納米管的 懸濁液，對沉積在所述第一層光刻膠上的所述第一根碳納米管進行定位，並在其上塗覆第 二層光刻膠；利用曝光、顯影和蒸鍍技術在塗覆有光刻膠的所述基底上製作所述兩對輔助電極；進行去膠程序。
4.根據權利要求3所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所述第一 層光刻膠厚度為80-120納米，所述第二層光刻膠厚度為200-300納米。
5.根據權利要求2所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，在施加所 述交變電場時，所述第二對輔助電極與一電阻串聯，所述電阻的阻值大於20兆歐姆。
6.根據權利要求1所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所述步驟 二中，所述第一對電極和所述第二對電極的製備是在所述碳納米管十字架構型上塗覆一層 光刻膠，然後利用曝光、顯影以及蒸鍍技術實現的，並且在製備好所述第一對電極和所述第 二對電極之後，包括去膠程序。
7.根據權利要求6所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所述光刻 膠厚度為400-600納米。
8.根據權利要求1-7之一所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所 述第一對電極和第二對電極的厚度小於所述碳納米管十字架構型距離所述基底的距離。
9.根據權利要求1-7之一所述的含門電極的納米電極對的製備方法，其特徵在於，所 述基底為Si或SiO2,所述碳納米管為利用電弧放電法製備的多壁碳納米管。
10.一種含門電極的納米電極對，其是採用根據權利要求1-7之一所述的含門電極的 納米電極對的製備方法製備的。
全文摘要
本發明提供一種含有門電極的納米電極對的製備方法以及通過該方法製備的納米電極對。本發明的製備方法包括(一)在基底上製備至少中心部分懸空的多壁碳納米管十字架構型；(二)以碳納米管十字架構型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構型的中心位置製備第一對電極和第二對電極，所述第一對電極和所述第二對電極的每對中的兩個電極彼此相對；(三)去除碳納米管十字架構型。本發明還提供利用上述方法製備的含門電極的納米電極對。
文檔編號H01L29/41GK101863450SQ20091008247
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月20日 優先權日2009年4月20日
發明者劉政, 孫連峰, 鄭凱泓, 黃海波 申請人:國家納米科學中心