专利名称：一种纳米尺度间隙电极对阵列及其制备方法
技术领域：
本发明涉及分子电子器件制备的关键技术，具体是一种纳米尺度间隙电极对阵列 及其制备方法。
背景技术：
分子电子器件有可能作为未来超大规模集成电路中的基本元件，其材料可能为单 个分子、超分子或原子簇等。目前分子电子器件通常采用微加工技术和组装综合技术将上 述材料组装在电极对之间，故电极对之间的间距只能为纳米尺度(简称为纳米尺度间隙电 极对)。研制分子电子器件的关键技术是如何大规模制备纳米尺度间隙电极对阵列，惟解决 该问题才有可能将分子电子器件形成一定规模的电路。最近几年研究人员都在研究如何解决这一难题，传统光刻技术加工的电极间隙通 常为微米量级，即使是新型的光刻技术(如电子束光刻)也只能制备百纳米量级的间隙，要 达到数十纳米以下或分子尺度间隙难度很大，更谈不上大规模制备。已有的制备纳米尺度 间隙电极对的方法有机械断裂技术、电迁移断裂金属纳米线技术和电化学沉积技术，但这 些方法工艺复杂、可控性差，而且仅能制备单个电极对，无法制备电极对的阵列，尤其是无 法沿某一或特定方向实现纳米尺度间隙电极对的阵列。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纳米尺度间隙电极对阵列方法。本发明的技术方案如下一种纳米尺度间隙电极对阵列，其特征在于，在碳纳米管表面上排列有金属颗粒 阵列，金属颗粒间距为1-500纳米之间，上述金属颗粒之间的碳纳米管全部或部分被除掉， 形成纳米尺度间隙的电极对阵列。碳纳米管可为多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、单壁碳纳米管或碳纳米管管束。金属颗粒可以是金颗粒、银颗粒、钼颗粒或铜颗粒。一种纳米尺度间隙电极对阵列的制备方法，其步骤包括1)在衬底材料上制备一对微米尺度金属电极，该金属电极对上连接有一根或多根 碳纳米管，在上述金属电极上引出金属丝，；2)将上述结构浸没于一含有金属离子的溶液中，上述金属丝与所述溶液中的金属 离子发生氧化还原反应，在碳纳米管表面上形成金属颗粒阵列；3)将上述结构从溶液中取出，清洗、晾干后，用氧等离子体轰击，将金属颗粒之间 的碳纳米管全部或部分去除掉，即可获得纳米尺度间隙电极对阵列。在金属活动性顺序表中，金属丝位于金属离子之前，即所述溶液中的金属离子的 氧化还原势高于金属丝。若金属丝为铝、铁、锌或锡，溶液为氯钼酸溶液、氯金酸溶液、硝酸 铜溶液或银氨溶液。氧等离子体轰击的具体工艺参数为氧气流量为20 200mL/min ；微波功率为IOOff 300W ；真空度为20mTorr IOOmTorr ；反应时间为IOs 600s。 微米尺度金属电极可通过传统微电子工艺中的光刻和剥离技术制备，为Au，Pt或 Pd金属材料。衬底材料可以是Si/Si02、石英、玻璃或柔软的聚合物薄膜。本发明的技术优点和效果本发明利用氧化还原反应，在单根碳纳米管(束)上形成大量的金属纳米颗 粒_碳纳米管_金属纳米颗粒重复性的周期结构。通过控制金属离子溶液的浓度和反应时 间，将金属颗粒之间的距离控制在纳米尺度范围内，然后用氧等离子体轰击方法将颗粒之 间的碳纳米管全部或部分去掉，则可在单根碳纳米管(束)上形成一纳米尺度间隙电极对 阵列。利用本发明制备纳米尺度间隙的电极对阵列的方法，可沿某一或特定方向实现纳 米尺度间隙电极对阵列。通过后续的分子原子或纳米结构材料的组装技术，可较容易地实 现纳米尺度(包括分子或原子尺度)电子器件阵列。本发明操作程序简单，工艺可靠、可控性好、成本低。
下面结合附图对本发明进一步详细地说明图1为制备纳米尺度间隙电极对阵列的流程示意图；图2为碳纳米管表面上排列金属颗粒阵列的扫描电镜图片；图3将金属颗粒之间的碳纳米管全部去掉后的纳米尺度间隙金属电极的示意图；图4将金属颗粒之间的碳纳米管部分去掉的纳米尺度间隙电极的示意图。其中，1-衬底；2-电极；3-碳纳米管；4-金属丝；5-含有金属离子的溶液；6_金属 颗粒。
具体实施例方式下面参照本发明的附图，详细描述本发明的实施例。1)首先利用化学气相沉积(CVD)技术，在Si/Si02衬底上生长碳纳米管，然后利用 光刻和剥离方法制备微米尺度金属电极，并使得金属电极与碳纳米管接触(如图la)。衬底材料Si/Si02中SiO2可以是用热氧化的方法或化学气相沉积的方法制备，厚 度可选择100 500nm。金属电极材料可以选择Au，Pt或Pd ；厚度可选择100 500nm ；宽度可选择 50 300 μ m ；电极对之间间距可选择10 100 μ m ；2)在微米尺度金属电极上引出铝丝(如图lb)；3)将包括铝丝在内的所有结构浸没在氯金酸溶液中(如图Ic)，金属溶液中的金 离子会被还原、沉积在碳纳米管表面，并逐渐形成金纳米颗粒阵列(如图Id)； 通过控制溶液浓度和反应时间，控制沉积金纳米颗粒的尺寸和间距。溶液浓度可 选择0. 01 ImM/L ；反应时间范围1秒 10分钟；图2为本发明制得的金纳米颗粒阵列的扫描电镜图片。如图2所示，金属颗粒的 间距为纳米尺度。
6)将整个结构从溶液中拿出，清洗、用氮气枪将残留在片子上溶液吹掉，并晾干 (如图Id)；7)将该结构置于氧等离子体发生器中，通过控制氧等离子体的参数和反应时间， 将金属颗粒之间的碳纳米管全部或部分去除掉，形成纳米尺度间隙电极对阵列。氧等离子体轰击的工艺参数为，氧等离子体的氧气流量可选择20 200mL/min ； 微波功率IOOff 300W ；真空度:20mTorr IOOmTorr ；反应时间:10s 600s。该阵列中可包括两端为金属颗粒该阵列中可包括两端为金属颗粒的电极对(如 图3所示)、两端为碳纳米管的电极对(如图4所示)或一端为碳纳米管、另一端为金属颗 粒地电极对。
虽然本说明书通过上述具体的实施例详细描述了本发明，但是本领域的技术人员 应该理解，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，例如衬底材料还可以是石英、玻璃 或柔软的聚合物薄膜；且溶液中金属离子的氧化还原势高于金属丝，金属丝除铝外，还可以 是铁、锌或锡，溶液可选择氯钼酸溶液、硝酸铜溶液或银氨溶液等溶液。另外，碳纳米管可为多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、单壁碳纳米管或碳纳米管管 束ο此外，金属电极除Au外，还可以是Pt或Pd金属材料。上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图， 但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各 种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。
权利要求
一种纳米尺度间隙电极对阵列，其特征在于，在碳纳米管表面上排列有金属颗粒阵列，金属颗粒间距为1-500纳米之间，上述金属颗粒之间的碳纳米管全部或部分被除掉，形成纳米尺度间隙的电极对阵列。
2.如权利要求1所述的电极对阵列，其特征在于，碳纳米管为多壁碳纳米管、双壁碳纳 米管、单壁碳纳米管或碳纳米管管束。
3.如权利要求1或2所述的电极对阵列，其特征在于，金属颗粒为Au，Pt，Ag或Cu金 属材料。
4.一种纳米尺度间隙电极对阵列的制备方法，其步骤包括1)在衬底材料上制备一对微米尺度金属电极，该金属电极对上连接有一根或多根碳纳 米管，在上述金属电极上引出金属丝；2)将上述结构浸没于一含有金属离子的溶液中，上述金属丝与所述溶液中的金属离子 发生氧化还原反应，在碳纳米管表面上形成金属颗粒阵列；3)将上述结构从溶液中取出，清洗、晾干后，用氧等离子体轰击，将金属颗粒之间的碳 纳米管全部或部分去除掉，即可获得纳米尺度间隙电极对阵列。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于碳纳米管为多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、 单壁碳纳米管或碳纳米管管束。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于金属丝选自铝、铁、锌或锡时，溶液为氯钼酸 溶液、氯金酸溶液、硝酸铜溶液或银氨溶液。
7.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于步骤3)中，氧等离子体轰击的具体参数 为氧气流量为20 200mL/min ；微波功率为100W 300W ；真空度为20mTorr IOOmTorr ； 反应时间为IOs 600s。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于微米尺度金属电极是通过传统微电子工艺 中的光刻和剥离技术制备，为Au，Pt或Pd金属材料。
9.如权利要求4或8所述的方法，其特征在于衬底材料是Si/Si02、石英、玻璃或柔软 的聚合物薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种纳米尺度间隙电极对阵列及其制备方法，属于分子电子器件制备技术领域。本发明利用氧化还原反应，在碳纳米管表面上形成金属颗粒阵列；然后用氧等离子体轰击，将金属颗粒之间的碳纳米管全部或部分去除掉，即可获得纳米尺度间隙电极对阵列。本发明操作简单，工艺可靠、可控性好、成本低。通过后续的分子原子或纳米结构材料的组装技术，可较容易地实现纳米尺度(包括分子或原子尺度)的电子器件阵列。
文档编号B82B1/00GK101817499SQ201010158860
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者傅云义, 张兴, 赵华波, 邓斯天, 魏芹芹, 黄如 申请人:北京大学