专利名称：磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的制作方法
技术领域：
本发明是一种纳米结构、纳米器件的加工技术，尤其是一种磁场诱导下选择性化学沉积制备磁性纳米间隙电极的方法，属于纳米器件加工的技术领域。
背景技术：
纳米电子器件，其特征尺寸在纳米量级(1-100nm)内，不再遵循传统微电子学的基本运行规律，而电子的波动性、量子效应等将在此类器件中起重要作用，其关键技术的突破将有望成为新的经济生长点，并将会对人类社会的各个方面产生深远影响。纳米加工技术则是发展纳电子器件的基础。
纳米间隙电极是发展纳电子器件尤其是单电子器件的一个关键结构或基础。采用电子束刻蚀(Appl.Phys.Lett，2002，80(2)865-867)、聚焦离子束刻蚀(Thin Solid Films，2003，438-439374-377)、结合分子束外延刻蚀(Appl.Phys.Lett.，2002，81(4)730-732)、SPM微探针加工(Nanotechnology，1999，10458-463；Jpn.J.Appl.Phys.，2001，404365-4367；Nano Lett.，2003，3(1)43-45)等方法来加工纳米电极需要昂贵的仪器设备，成本较高，所涉及工艺较难，一时难以普及。结合“自上而下”与“自下而上”两种加工技术路线来构造可控纳米结构与器件，是当前发展简便易行的纳米加工技术的一个重要方向，并已经在寻求制备纳米间隙电极的方法方面进行了有益的尝试。如化学镀法(ZL01113578.6)、电镀法(NL1019733C；Thin Solid Films，2003，438-439317-321)、电子迁移法(Appl.Phys.Lett.，2002，81(24)4613-4615；中国专利申请号200310106004.X)，首先采用“自上而下”刻蚀技术制备出微米或亚微米间隙电极作为原型电极，然后用化学、物理的方法在原型电极上沉积金属，使电极间隙减小到纳米量级。其中，电镀法与化学镀法都是通过金属在电极对上的在线沉积生长来减小其间隙的，但同时也增加了电极的侧向宽度，而且电镀法在制备过程中原型电极两端需要引线以外加电压，仅适于对具体器件进行个别操作；电子迁移法不仅需要在原型电极两端引线进行电连接，而且要求原型电极对的间隙不能太大(通常处于准纳米或亚微米尺度，现有技术都是采用电子束刻蚀法来制备其原型电极结构的)。
磁性纳米间隙电极在磁性纳米粒子的操纵与有序组装、生物分子的电磁控制研究、检测传感技术以及电子输运特性研究等方面具有特殊的应用前景，但目前磁性纳米间隙电极还非常少见，所涉及的制备方法也仅限于电镀法和化学镀法，相关应用研究方面受到很大限制。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提出一种磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，通过磁性金属在普通光刻电极上的选择性沉积与沿着电极对方向的磁场同步诱导取向生长，在不相应增加电极的侧向宽度情况下将普通光刻电极对的间隙减小到纳米级，实现纳米间隙电极的简便低廉加工。
技术方案将磁场诱导与选择性化学镀法两者相结合，沿着普通光刻电极对(原型电极)的方向上施加一个外磁场，让磁性金属在电极/溶液界面的选择性化学沉积发生的瞬间即被磁化，并通过磁场进一步的诱导作用使磁性金属在电极对尖端处沿着电极对方向上优先沉积并取向生长，将电极对间隙从微米级或亚微米级减小到纳米级，获得磁性纳米间隙电极。
制备的方法如下首先，用普通光刻工艺制备出微米级或亚微米级间隙的原型电极；在原型电极表面组装双功能分子(X-R-Y)、化学吸附化学镀引发剂，使电极表面具有催化活性；将具有催化活性的原型电极放入磁性金属或合金的化学镀溶液中，同时沿着原型电极对方向上施加一个外磁场，同步诱导磁性金属或合金在电极对尖端处优先沉积与取向生长，实现电极间隙的减小，最终获得磁性纳米间隙电极。
其中，原型电极指以硅基材料为基材，用普通光刻工艺加工出的具有微米或亚微米间隙的电极对结构，电极材料为金属材料，通常为金、银、铜、铂。
双功能分子X-R-Y，对于硅基材料没有反应活性。其中X为可与原型电极金属材料自发进行分子组装的官能团，对于金、银、铜材料的原型电极，优选基团为含S(硫)基团，如巯基(-SH)或二硫基(如-S-S-R-Y)或单硫基(如硫醚分子Y-R-S-R-Y中的-S-R-Y)；对于铂材料的原型电极，优选基团为羟基(-OH)或氨基(-NH2)；Y为可与化学镀引发剂键合的活性基团，通常含有S、N(氮)、P(磷)、O(氧)元素，如氨基、巯基、磷酰基、羧基；R为有机分子骨架，如碳链、芳环，R中允许包含多个含S、N、P、O元素的活性基团。
化学镀引发剂为金属银、钯、镍、钴的纳米粒子；或是钯离子、银离子。
用于减小电极间隙即纳米间隙电极的材料是适于化学镀的磁性金属及其合金，如镍、钴及其合金材料。
施加的外磁场是外置分立的磁场，磁场方向平行于原型电极对方向(磁力线平行穿过电极对方向)，磁场强度范围为0.01～2特斯拉。
有益效果1.在基于分子自组装膜良好定域的选择性化学沉积基础上，结合外磁场作用，可使电极上一旦有磁性金属或合金发生沉积即被瞬时磁化，在电极对间形成磁力线密集区，从而进一步诱导磁性金属或合金在磁场梯度最大的电极对尖端处优先还原沉积并取向生长，电极对间隙减小的同时不仅可确保不会引起电极侧向宽度的相应增加，而且可在分子水平上改善最终获得的纳米间隙电极的表面结构及尖端形状；另外，相比于电镀法或化学镀法，本法可以降低金属盐等化学试剂的单位消耗；2.对原型电极的间隙没有特殊要求，结合非常普遍的传统光刻技术就能加工，间隙达数微米甚至十几微米的原型电极也易于被缩减到纳米级间隙结构；3.整个装置非常简单，无须昂贵的设备投入；方法简单，操作方便，在工艺上极易于实现，具有批量加工潜力。
4.非常方便地选取多种磁性金属或合金材料来获得磁性纳米间隙结构以满足特殊的应用；在此基础上，还可方便地通过简单的化学沉积方法制备其它非磁性金属的异质结构，如在镍、钴纳米间隙电极上沉积金、银等纳米级薄层获得外表面层为金、银材料的纳米间隙电极。
具体实施例方式
实施例1采用普通光刻工艺在硅基材料上加工出具有微米或亚微米级间隙的金或银或铜电极对，并以此作为原型电极。将该原型电极表面清洁处理后，放入双功能分子含硫化合物如巯基乙胺或1，6-己二硫醇或二巯基丁二酸或巯基乙酸或NH2-(CH2)n-S-S-(CH2)n-NH2(n＞2)或NH2-(CH2)n-S-(CH2)n-NH2(n＞2)的乙醇溶液中进行分子组装；将组装有双功能分子的上述电极放入胶体银或钯离子溶液中进行电极表面活化处理。将上述经钯表面活化的电极分别放入镍、钴或磁性合金化学镀溶液中，同时在化学镀反应器外沿着电极对方向上施加一个外磁场(磁场强度为0.01～2特斯拉)，诱导待镀金属在电极对的尖端处优先沉积并取向生长，分别得到磁性金属镍、钴或磁性合金材料的纳米间隙电极。
实施例2采用普通光刻工艺在硅基材料上加工出具有微米或亚微米间隙的金或银或铜电极对，并以此作为原型电极。将该原型电极经表面清洁处理后放入巯基乙胺的乙醇溶液中进行分子组装；将组装有双功能分子的上述电极放入胶体镍溶液中进行活化。上述经镍活化的电极放入镍或镍合金的化学镀溶液中，同时在沿着电极对方向上施加一个外磁场(磁场强度为0.01～2特斯拉)，诱导磁性镍金属或镍合金在电极对的尖端处优先沉积并取向生长，最终分别得到磁性镍或镍合金的纳米间隙电极结构。
实施例3采用普通光刻工艺在硅基材料上加工出具有微米或亚微米间隙的金或银或铜电极对，并以此作为原型电极。将该原型电极经表面清洁处理后放入巯基乙胺的乙醇溶液中进行分子组装；将组装有双功能分子的上述电极放入胶体钴溶液中进行活化。上述经钴活化的电极分别放入钴或钴合金的化学镀溶液中，同时在沿着电极对方向上施加一个外磁场(磁场强度为0.01～2特斯拉)，诱导磁性钴或钴合金在电极对的尖端处优先沉积并取向生长，分别得到磁性钴或钴合金的纳米间隙电极结构。
实施例4采用普通光刻工艺在硅基材料上加工出具有微米或亚微米级间隙的铂电极对，并以此作为原型电极。将该铂原型电极表面清洁处理后，放入羟基羧酸或羟基膦羧酸或氨基膦羧酸的乙醇溶液中进行分子组装；将组装有功能分子的铂电极放入胶体钯或银离子溶液中进行电极表面活化处理。将上述经表面活化的铂电极分别放入化学镀镍或化学镀钴或化学镀磁性合金溶液中，同时在化学镀反应器外沿着电极对方向上施加一个外磁场(磁场强度为0.01～2特斯拉)，诱导镍或钴或磁性合金在电极对的尖端处优先沉积并取向生长，得到磁性金属镍或金属钴或磁性合金材料的纳米间隙电极结构。
权利要求
1.一种磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于该方法将选择性化学沉积与磁场诱导相结合，沿着电极对的方向施加一个外磁场，通过金属在普通光刻电极上的选择性沉积与沿着电极对方向的磁场同步诱导取向生长，在不相应增加电极的侧向宽度情况下将普通光刻电极对的间隙减小到纳米级，加工出磁性纳米间隙电极。
2.根据权利要求1所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于制备的工艺如下a、用普通光刻工艺制备出微米级或亚微米级间隙的原型电极对；b、在原型电极对表面组装双功能分子“X-R-Y”、化学吸附化学镀引发剂，使电极对表面具有催化活性；c、将具有催化活性的原型电极对放入化学镀溶液中，同时沿着原型电极对的方向上施加一个外磁场，同步诱导金属在电极对尖端处优先沉积与取向生长，从而实现电极间隙的减小，获得磁性纳米间隙电极。
3.根据权利要求2所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于原型电极对指以硅基材料为基材，用普通光刻工艺加工出的具有微米或亚微米间隙的双极电极结构，电极材料为金属材料，通常为金、银、铜、铂。
4.根据权利要求2所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于双功能分子“X-R-Y”对于硅基材料没有反应活性，其中“X”为可与原型电极金属材料自发进行分子组装的官能团，“Y”为可与化学镀引发剂键合的活性基团，R为有机分子骨架。
5.根据权利要求4所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于可与原型电极金属材料自发进行分子组装的官能团“X”，对于金、银、铜材料的原型电极，为含硫基团，如“-SH”或“-S-S-R-Y”或“-S-R-Y”；对于铂材料的原型电极，“X”基团为“-OH”或“-NH2”。
6.根据权利要求4所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于可与化学镀引发剂键合的活性基团“Y”，为含有S、N、P、O元素的活性基团，如氨基、巯基、磷酰基、羧基。
7.根据权利要求4所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于有机分子骨架“R”为碳链、芳环，R中同时允许包含多个含S、N、P、O元素的活性基团。
8.根据权利要求2所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于化学镀引发剂为金属银、钯、镍、钴的纳米粒子或钯离子、银离子。
9.根据权利要求2所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于用于减小电极间隙的材料是适于化学镀的磁性金属及其合金，如金属镍、钴及其磁性合金材料。
10.根据权利要求1或2所述的磁场诱导沉积方法制备磁性纳米间隙电极的方法，其特征在于施加的外磁场是外置分立的磁场，磁场方向与原型电极对方向平行，磁场强度范围为0.01～2特斯拉。
全文摘要
磁场诱导取向沉积方法制备磁性纳米间隙电极，涉及一种纳米结构、纳米器件的加工技术。该方法通过磁性金属在普通光刻电极上的选择性沉积与沿着电极对方向的磁场同步诱导取向生长，在不相应增加电极的侧向宽度情况下将普通光刻电极对的间隙小到纳米级，实现磁性纳米间隙电极的简便低廉加工。制备的方法如下首先，用普通光刻工艺制备出微米级或亚微米级间隙的原型电极；在原形电极表面组装双功能分子、键合引发剂，使电极表面具有催化活性；将具有催化括性的原型电极放入磁性金属或合金的化学镀溶液中，同时沿着原型电极对方向上施加一个外磁场，同步诱导磁性金属或合金在电极对尖端处优先沉积与取向生长，获得磁性纳米间隙电极。
文档编号H01L21/02GK1631766SQ20041006595
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者徐丽娜, 顾宁, 解胜利, 黄岚 申请人:东南大学