纳米间隙的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米技术领域，尤其涉及一种纳米间隙的制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 极小尺寸的纳米间隙，尤其是当其间隔距离小于10纳米以下时，该特殊的纳米形 貌特性以及由此产生的电磁场高度局域性，使其无论是在纳米电极、分子器件、单光子光源 还是在等离激元元器件、增强拉曼、催化反应等方面都具有重要的应用。
[0003]目前已经发展的具备制备10纳米以下纳米间隙的方法主要包含化学合成法、机 械断裂法、电迀移法以及阴影沉积法。而在这些制备方法中，化学合成法通过在合成过程中 包裹中间层的方法可以实现大批量的间隙均匀的纳米间隙的制备，但是这种方法缺乏寻址 能力，制备得到的纳米间隙无法满足于纳米电极的应用；而机械断裂法、电迀移法以及阴影 沉积法由于缺乏较好的控制性，因而制备得到的纳米间隙的均一性较差且成功率较低。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种纳米间隙的制备方法，本发 明提供的纳米间隙的在具有寻址能力的同时，纳米间隙的均一性好。
[0005] 本发明提供了一种纳米间隙的制备方法，包括：
[0006] 1)在沉积第一金属薄膜的样品中的金属薄膜上进行光刻处理，得到被部分光刻胶 保护第一金属薄膜的样品；
[0007] 2)对得到的被部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品中光刻胶未保护部分的第一 金属进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；
[0008] 3)在刻蚀后的样品上沉积金属氧化物，得到沉积有金属氧化物的样品；
[0009] 4)对沉积有金属氧化物的样品中水平方向沉积的金属氧化物刻蚀，得到去除了水 平方向沉积的金属氧化物的样品；
[0010] 5)在去除了水平方向沉积的金属氧化物的样品上沉积第二金属，得到沉积第二金 属薄膜的样品；
[0011] 6)将沉积第二金属薄膜的样品中的光刻胶、光刻胶上的第二金属薄膜以及金属氧 化物去除，得到纳米间隙。
[0012] 优选的，所述第一金属为金、银、铂或铜。
[0013] 优选的，所述第二金属为金、银、铂或铜。
[0014] 优选的，所述金属氧化物为溶于酸的金属氧化物或溶于碱的金属氧化物。
[0015] 优选的，所述步骤1)的光刻处理包括光刻胶的涂覆、曝光、显影和定影；
[0016] 其中，所述光刻胶为正性光刻胶。
[0017] 优选的，所述曝光的曝光方式为电子束曝光、深紫外曝光、极紫外曝光、X射线曝光 或纳米压印。
[0018] 优选的，所述步骤2)的刻蚀为氩离子刻蚀。
[0019] 优选的，所述步骤3)中沉积金属氧化物的沉积方式为单原子层沉积。
[0020] 优选的，所述步骤5)的沉积第一金属的沉积方式为氩离子溅射沉积、激光溅射沉 积、热蒸发沉积或电子束热蒸发沉积。
[0021] 本发明还提供了一种本发明的制备方法制备的纳米间隙在制备电子器件中的应 用。
[0022] 与现有技术相比，本发明提供了一种纳米间隙的制备方法，通过在沉积第一金属 薄膜的样品上进行光刻处理，得到部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品，然后刻蚀除去未 被光刻胶保护的第一金属，得到刻蚀后的样品，在刻蚀后的样品上沉积金属氧化物，得到沉 积有金属氧化物的样品；对沉积有金属氧化物的样品中水平方向的金属氧化物刻蚀，得到 去除水平方向金属氧化物的样品；在去除水平方向金属氧化物的样品上沉积第二金属，得 到沉积第二金属薄膜的样品；将沉积第二金属薄膜的样品中的光刻胶、光刻胶上的金属薄 膜以及金属氧化物去除，得到纳米间隙；实验结果表明，本发明提供的纳米间隙的制备方 法，不仅具有寻址能力，而且纳米间隙的间隙宽度均一性好且成功率高；另外，本发明提供 的制备方法能够精确调控纳米间隙的间隔，且能制备得到小于10纳米间隔的纳米间隙结 构。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明制备纳米间隙的制备中各个步骤得到的样品的结构示意图；
[0024] 图2为本发明实施例1制备得到的纳米间隙的电镜扫描图；
[0025] 图3为本发明实施例2制备得到的纳米间隙的电镜扫描图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明提供了一种纳米间隙的制备方法，包括：
[0027] 1)在沉积第一金属薄膜的样品中的金属薄膜上进行光刻处理，得到被部分光刻胶 保护第一金属薄膜的样品；
[0028] 2)对得到的被部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品中光刻胶未保护部分的第一 金属进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；
[0029] 3)在刻蚀后的样品上沉积金属氧化物，得到沉积有金属氧化物的样品；
[0030] 4)对沉积有金属氧化物的样品中水平方向沉积的金属氧化物刻蚀，得到去除了水 平方向沉积的金属氧化物的样品；
[0031] 5)在去除了水平方向沉积的金属氧化物的样品上沉积第二金属，得到沉积第二金 属薄膜的样品；
[0032] 6)将沉积第二金属薄膜的样品中的光刻胶、光刻胶上的第二金属薄膜以及金属氧 化物去除，得到纳米间隙。
[0033] 按照本发明，在沉积第一金属薄膜的样品中的金属薄膜上进行光刻处理，得到被 部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品；所述光刻处理具体为将光刻胶涂覆、曝光、显影和 定影；其中，所述光刻胶优选为正性光刻胶，更优选为聚甲基丙烯酸甲酯、瑞红胶、ZEP胶； 所述光刻胶为聚甲基丙烯酸甲酯时，所述聚甲基丙烯酸甲酯的重均分子量优选为50000~ 950000,更优选 100000 ~800000,最优选为 450000 ~600000,最优选为 495000 ~550000。
[0034] 其中，所述涂覆具体为：
[0035] 在沉积第一金属薄膜的样品中的金属薄膜上涂覆光刻胶，得到涂有光刻胶的样 品；本发明对涂覆的方式没有特殊限定，本领域公知的涂覆方式均可，本发明优选将光刻胶 溶于有机溶剂，然后通过旋涂法将光刻胶涂覆在金属薄膜上；其中，有机溶剂优选为氯仿 和苯甲醚中的一种或两种；溶于有机溶剂的光刻胶中光刻胶的质量百分含量优选为1~ 9wt %，更优选为4~6wt %;在旋涂过程中，旋涂的转速优选为2000~6000转/秒，更优选 2000转/秒；本发明还包括将涂有光刻胶的样品烘干，其中烘干的温度优选为170-220°C， 更优选180°C，烘干的时间优选为1~5分钟，更优选4分钟。
[0036] 所述曝光具体为：
[0037] 所述曝光的方式优选为电子束曝光、深紫外曝光、极紫外曝光或X射线曝光，更优 选为电子束曝光；当曝光为电子束曝光时，所述电子束的加速电压优选为IOKV~20KV，曝 光剂量优选为70~210 μ C/cm2;
[0038] 所述显影中，显影时间优选为30秒~2分钟；所述定影中，定影时间优选为30 秒~2分钟，更优选为1分钟。
[0039] 此外，该步骤中所说的被部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品中被部分光刻胶保 护的部分是根据预先设计好的图形决定的，本发明对光刻胶的保护部位以及大小没有特殊 要求，可以根据实际需要，根据本领域技术人员的常规技术手段设计光刻胶保护的部位以 及大小。
[0040] 所述沉积第一金属的薄膜优选按照以下方法制备：
[0041] 衬底上沉积第一金属，得到沉积第一金属薄膜的样品；
[0042] 其中，本发明对衬底材料的种类没有特殊限定，本领域技术人员公知的可以应用 于制备纳米间隙的衬底材料均可，本发明优选为二氧化硅和硅的复合衬底；所述衬底的厚 度优选为IOOnm~1 μ m，更优选为200nm~800nm，最优选为300nm~500nm ;所述第一金属 优选为金、银、钼或铜；所述沉积的第一金属的厚度优选为5nm~200nm，更优选为IOnm~ 100nm，最优选为20nm~50nm ;所述沉积第一金属的沉积方式优选为氩离子派射沉积、磁控 溅射沉积、热蒸发沉积或电子束热蒸发沉积，更优选为电子束热蒸发沉积；当采用电子束热 蒸发沉积时，所述蒸发速度优选为0.1~2 Α/s，优选0.6人/S。
[0043] 按照本发明，对得到的被部分光刻胶保护第一金属薄膜的样品中光刻胶未保护部 分的第一金属进行刻蚀，得到刻蚀后的样品；本发明对刻蚀的方法没有特殊要求，本领域技 术人员公知的刻蚀方法均可，本发明优选采用氩离子刻蚀。
[0044] 按照本发明，在刻蚀后的样品上沉积金属氧化物，得到沉积有金属氧化物的样品； 所述金属氧化物优选为溶于酸的金属氧化物或溶于碱的金属氧化物，更优选为氧化铝、三 氧化二铁、氧化钙、氧化镁或氧化锌，最优选为氧化铝；所述沉积的金属氧化物的厚度优选 为1~20nm，更优选为2~8nm，最优选为3~5nm ;本发明对沉积的方式没有特殊要求，本 发明优选采用单原子层沉积技术沉积；且本发明中所说的沉积有金属氧化物的样品是指在 样品的水平方向和侧壁均沉积金属氧化物；样品的水平方向是指与衬底平行的表面（包括 衬底），如衬底中被刻蚀去除第一金属的部分以及光刻胶表面与衬底平行的部分，侧壁是指 光刻胶以及第一金属与衬底垂直的面。
[0045] 按照本发明，对沉积有金属氧化物的样品中水平方向沉积的金属氧化物刻蚀，得 到去除水平方向沉积金属氧化物的样品；本发明对刻蚀的方法没有特殊要求，本领域技术 人员公知的刻蚀方法均可，本发明优选采用氩离子刻蚀；需要指出的是，水平方向沉积的金 属氧化物是指样品中平行于衬底的方向沉积的金属氧化物，具体是指光刻胶表明与衬底平 行的部分的金属氧化物以及衬底上的金属氧化物，但不包含侧壁金属氧化物与衬底相交部 分的金属氧化物。
[0046] 按照本发明，在去除水平方向沉积的金属氧化物的样品上沉积第二金属，得到沉 积第二金属薄膜的样品；所述第二金属优选为金、银、铂或铜；所述沉积的第二金属的厚度 优选为5nm~200nm，更优选为IOnm~100nm，最优选为20nm~50nm ;所述沉积第二金属 的沉积方式优选为氩离子溅射沉积、磁控溅射沉积、热蒸发沉积或电子束热蒸发沉积，更优 选为电子束热蒸发沉积；当采用电子束热蒸发沉积时，所述蒸发速度优选为0.1~2 A/S，优 选 0.6 A/s。
[0047] 按照本发明，将沉积第二金属薄膜的样品中的光刻