专利名称：一种纳米间隙电极的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米电极的制备方法，具体地涉及一种电子束诱导沉 积法制备纳米间隙电极。
背景技术：
分子电子器件作为下一代电子器件，近十几年始终是科学界研究的热 点。最近几年取得了一系列重大进展，但是有些问题始终没有得到有效地 解决，阻碍着分子电子学的进一步发展。其中纳米间隙电极的制备就是一 个急需解决的难题。因为要实现分子电子学的第一步就是要制备分子间隙 电极，使得电极的间隙恰好与所要连接分子的尺寸一致。很多研究人员都 在研究如何解决这一难题，目前已经有一些比较成功的方法来制备这种可控间隙的纳米电极，比如断结法(break junction method, Reed M.A.; Zhou C.; Muller C.J. <SWe"ce 1997, 127, 193)，电化学沉积法(electrochemical deposition method, Qing Q.; Chen F.; Li P. G.; Tang W. H.; Liu Z. F. Ozem. 五d 2005, 44， 7771)，纳米线模板法(nanowire l池ography， Qin L.; Park S.; Huang L.; Mirkin C. A. 2005， 309，1B)等等。然而这些方法仍然没有完全解决这一难题。目前还不能在制备纳米电极的过程中实现原 位实时的观测，因此要精确地控制电极间隙地宽度仍然是很难实现的。电子束诱导沉积法(EBID)是一种通过高密度电子束使扫描区域内的分子发生分解并在其扫描区域表面沉积出纳米结构的方法。这种方法经常 在微纳加工领域使用，用来加工制备各种结构的纳米图案。同时这种方法也被用来连接和处理纳米材料(Wang M.; Wang J.; Chen Q.; Peng L-M. /Wv.Mz狄2005, 15， 1825)。电子束诱导沉积很多情况下都是在扫描电子 显微镜或透射电子显微镜里进行的，因此在电子束诱导沉积过程中可以原 位地观察其进行情况。 发明内容本发明的目的在于提供一种纳米间隙电极的制备方法。 为实现上述目的，本发明提供的纳米间隙电极制备方法，其具体步骤 如下a) 在不受电子束破坏的纳米材料上制备具有较大间隙的电极对；b) 在电极对的表面吸附电子束诱导沉积的原料分子；c) 将电子束聚焦在电极对的间隙区域；d) 当电极间隙达到所需的宽度时，停止电子束照射，制备得到纳米间 隙电极。所述的制备方法，其中，步骤a采用光刻技术、电子束曝光技术、电 流烧蚀技术、断结技术、电化学沉积技术、纳米线模板技术或聚焦离子束 烧蚀技术制备电极对。所述的制备方法，其中，步骤a中不受电子束破坏的纳米材料为金属、 无机半导体材料或导电性有机材料。所述的制备方法，其中，不受电子束破坏的纳米材料为金、银、铜、铁、铝、硅、锗、聚乙撑二氧噻吩或碳纳米管。所述的制备方法，其中，步骤c的电子束能量为0.1至1000千电子伏。 所述的制备方法，其中，步骤c的电子束密度为10S至10'G安培每平方米。所述的制备方法，其中，步骤d的电极间隙为2至100纳米。本发明具有以下的特征和优点1) 本发明首次实现了在纳米间隙电极制备过程中的原位观测，从而 使得电极间隙的控制更加有效和精确。2) 本发明与传统的方法相比，操作方便，简易可行，成功率高，有利于提高纳米间隙电极的制备效率。3) 本发明制备的纳米间隙电极的间隙范围很大，可以为2纳米至100 纳米，这对于纳米以及分子器件的制备和应用有非常重要的意义。
图1为本发明中分布在两个钛金电极之间碳纳米管的扫描电子显微 镜照片。图2为本发明中在电流烧蚀后(a)，电子束照射2分钟(b)，电子束 照射4分钟(c)，电子束照射6分钟(d)的碳纳米管电极的扫描电子显 微镜照片。图3为本发明中制备的间隙为2纳米的电极在DNA分子组装前和组 装后的电流电压曲线。图4为本发明中电子束诱导沉积前(a)和沉积后(b)的碳纳米管电极的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
本发明制备纳米间隙电极的方法是在扫描电子显微镜中通过电子束 照射预先制备的电极，在电极上沉积导电的材料使得电极间隙减小，同时 通过扫描电子显微镜原位的观测电极间距，当达到所需的电极间距时停止 电子束照射，从而可控地制备具有某一间隙宽度的纳米间隙电极。本发明的制备方法基于的原理是在扫描电子显微镜中，用高密度的 电子束照射预先制备的电极，电子束及其产生的二次电子就会使吸附在电 极表面的分子发生复杂的化学反应，分解后沉积在电极的表面，从而使得 电极变宽，电极的间距逐渐变小。具体地说，本发明提供的纳米间隙电极的制备方法，利用电子束诱导 沉积技术，其步骤如下a) 用目前通用的电极制备方法(如光刻技术、电子束曝光技术、电 流烧蚀技术、断结技术、电化学沉积技术、纳米线模板技术、或聚焦离子 束烧蚀技术等)制备具有较大间隙的电极对。b) 在电极的表面吸附电子束诱导沉积的原料分子。C)在扫描电子显微镜中，将电子束(电子束能量为0.1至1000千电子 伏，电子束密度为105至10"安培每平方米)聚焦在电极间隙区域，同时 原位观察电子束诱导沉积以及电极间隙减小的情况。d)当电极间隙达到所需的宽度(2至100纳米)时，停止电子束照射。从而纳米间隙电极制备成功。以下结合附图对本发明进行详细说明第一步，通过光刻技术、电子束曝光技术、电流烧蚀技术、断结技术、 电化学沉积技术、纳米线模板技术，或聚焦离子束烧蚀技术等方法制备具 有较大间隙的电极对，其电极间隙为5至1()00纳米。第二步，将电极放在电极的电子束诱导沉积原料分子的蒸汽中，或通 过蒸镀的方法，使得电极表面吸附一层电子束诱导沉积的原料分子。第三步，将电极放置于扫描电子显微镜中，将电子束(能量为0.1至 1000千电子伏，密度为105至l(T安培每平方米)聚焦在电极间隙区域， 电子束诱导原料分子分解，在电极表面沉积一层导电的包覆层，从而使得 电极间隙逐渐变窄。第四步，通过扫描电子显微镜原位观察电极间隙减小的情况。当电极 间隙达到所需的宽度时，立即停止电子束照射。从而纳米间隙电极制备成 功。其电极间隙为2 100纳米。实施例1以纳米碳管电极的制备为例第一步，将碳纳米管分散在乙醇溶液中。然后将溶液滴在间距为2微 米的钛金电极上，通过扫描电子显微镜观察碳纳米管在钛金电极上的分布 情况。(图1)第二步，在连有碳纳米管的钛金电极两端加上一个较大的电压，使碳 纳米管烧断，从而在中间形成纳米级的间隙(图2a)。第三步，将碳纳米管电极置于甲苯分子的蒸汽中，放置1天，使甲苯 分子吸附在碳纳米管电极的表面。第四步，将碳纳米管电极放置于扫描电子显微镜中，将电子束(能量 为15千电子伏，密度为107安培每平方米)聚焦在碳纳米管电极间隙区域， 电子束诱导甲苯分子分解，在碳纳米管表面沉积导电的碳包覆层，从而使得电极间隙逐渐变窄。其过程如图2a至图2d。第五步，通过扫描电子显微镜原位观察电极间隙减小的情况。当电极 间隙达到2纳米时，立即停止电子束照射。从而纳米间隙电极制备成功。 将纳米电极两端接上电路，其电流-电压曲线如图3 (曲线部分所示)，电 极并未导通，说明电极没有短路。当在电极上组装DNA分子后，其电流-电压曲线如图3 (直线部分所示)，电极导通，说明该电极可以用于制备分 子器件。实施例2按实施例l中的制备方法，不同之处为第三步，将碳纳米管电极置 于乙醇的蒸汽中，放置2天。第四步，电子束密度为2><106安培每平方米。 第五步，当电极间隙达到5纳米时，立即停止电子束照射。制备了电极间 隙为5纳米的碳纳米管电极。如图4。实施例3第一步，通过电子束曝光技术制备具有间隙为120纳米的金电极。 第二步，将金电极表面蒸镀一层0.1纳米绝缘的萘分子。 第三步，将金电极放置于扫描电子显微镜中，将电子束(能量为30 千电子伏，密度为108安培每平方米)聚焦在电极间隙区域，电子束诱导 萘分子分解，在电极表面沉积一层导电的包覆层，从而使得电极间隙逐渐 变窄。第四步，通过扫描电子显微镜原位观察电极间隙减小的情况。当电极间隙达到80纳米时，立即停止电子束照射。从而间隙为80纳米的纳米间隙电极制备成功。上述实施例以碳纳米材料和金电极为例进行了说明，其作用只是用来 帮助理解本发明的技术方案，而不是用于限制本发明的权利要求范围。事实上，本领域技术人员能够理解和实现本发明提出的技术方案。
权利要求
1. 一种纳米间隙电极制备方法，其具体步骤如下a)在不受电子束破坏的纳米材料上制备具有较大间隙的电极对；b)在电极对的表面吸附电子束诱导沉积的原料分子；c)将电子束聚焦在电极对的间隙区域；d)当电极间隙达到所需的宽度时，停止电子束照射，制备得到纳米间隙电极。
2、 如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤a采用光刻技术、电子束曝光技术、电流烧蚀技术、断结技术、电化学沉积技术、纳米线模板 技术或聚焦离子束烧蚀技术制备电极对。
3、 如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤a中不受电子束破坏 的纳米材料为金属、无机半导体材料或导电性有机材料。
4、 如权利要求1或3所述的制备方法，其中，不受电子束破坏的纳 米材料为金、银、铜、铁、铝、硅、锗、聚乙撑二氧噻吩或碳纳米管。
5、 如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤c的电子束能量为O.l 至1000千电子伏。
6、 如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤c的电子束密度为105至 1(T安培每平方米。
7、 如权利要求1所述的制备方法，其中，步骤d的电极间隙为2至 100纳米。
全文摘要
一种纳米间隙电极制备方法，步骤如下在不受电子束破坏的纳米材料上制备具有较大间隙的电极对；在电极对的表面吸附电子束诱导沉积的原料分子；将电子束聚焦在电极对的间隙区域；当电极间隙达到所需的宽度时，停止电子束照射，制备得到纳米间隙电极。本发明与传统的方法相比，可以在制备过程中原位观察电极间隙，从而可以精确控制纳米间隙电极的间隙。同时操作方便，简易可行，成功率高，有利于提高纳米间隙电极的制备效率，制备的纳米间隙电极的间隙范围很大，可以为2纳米至100纳米，这对于纳米以及分子器件的制备和应用有非常重要的意义。
文档编号H01L21/28GK101226879SQ20071006283
公开日2008年7月23日 申请日期2007年1月18日 优先权日2007年1月18日
发明者贵 于, 刘云圻, 张洪亮, 曹灵超, 李祥龙, 钰 王, 石大川, 魏大程 申请人:中国科学院化学研究所