利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构及制备方法和应用

本发明属于纳米间隙的，具体涉及一种利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构及制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，高性能电子尺寸的不断小型化，导致器件内部热累积的问题变得更为严重。在高温下，金属电极融化、表面原子扩散等过程得以加速，并在小的金属间距下导致断路、短路等问题，影响器件的高温可靠性。

2、传统上为了防止原子扩散，需要在金属边界沉积厚层氧化物、氮化物等原子阻挡层。但是对于小间距电极，氧化物、氮化物等原子阻挡层的厚度往往难以有效抑制原子扩散。此外，还可以在金属表面紧密沉积石墨烯等薄层材料，利用致密的二维片层结构层层叠加，起到物理隔绝作用抑制扩散，其阻挡效率取决于表面物理接触程度，接触程度越高，阻挡效果越好。目前制备石墨烯等金属阻挡层还是以化学气相沉积(cvd)方法为主，一个常见缺点是对高温生长的需求，许多基体材料都耐受不住cvd的高温，对于电子应用，cvd法需要从催化剂表面到介质基材的生长后转移过程，这会导致污染和结构缺陷，从而降低了石墨烯的性能。采用等离子或激光辅助技术可以降低沉积温度，但由于非催化性质，晶体生长速度相对较低。低成本的固相碳源化学气相沉积则往往会导致较厚的隔绝层，接触电阻大幅上升。

3、因此，寻求一种新的抑制金属原子扩散的方法以获得稳定的金属结构具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构及制备方法和应用。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

3、一种利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，包括二维材料层和设于二维材料层表面的至少两个间隔设置的纳米金属组装体，所述纳米金属组装体与所述二维材料层表面之间具有静电力形成的间隙，所述间隙的宽度为2-3nm。

4、可选的，所述二维材料层为mote2、石墨烯或mos2，厚度为3～8nm。

5、可选的，所述纳米金属组装体为纳米金属颗粒或由纳米金属颗粒构造的结构层。

6、可选的，所述纳米金属颗粒为棒金六角板，直径161.05±6.16nm，边长71.31±6.41nm。

7、可选的，所述纳米金属组装体作规模化制备小间距晶体管、阻变存储器、隧穿电子器件或真空电子器件。

8、上述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构的制备方法，是通过湿法转移工艺，于基底上进行纳米金属颗粒的自组装，于基底表面形成覆盖纳米金属组装体的转移层，然后采用第一腐蚀液腐蚀去除基底；将带有纳米金属组装体的转移层转移至二维材料层表面，然后采用第二腐蚀液腐蚀去除转移层。

9、可选的，利用电子束曝光的方法，在sio2/si牺牲基底表面制备pmma沟槽作为模板，将金属纳米颗粒溶液滴在表面，静置至溶液干燥，让金属纳米颗粒在沟槽中完成自组装，将sio2/si牺牲基底浸泡于丙酮中去除pmma，在sio2/si牺牲基底表面得到规模化的小间距金属纳米颗粒组装体。

10、可选的，在所述牺牲基底表面旋涂pmma作为转移层，利用hf湿法转移的方法，去除所述牺牲基底，通过转移层将纳米颗粒组装体转移至设有二维材料层的目标基底表面，然后剥离所述转移层。

11、一种等离激元器件，包括上述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其中二维材料层设于一衬底上，纳米金属组装体周期性排列于二维材料层表面，在光的激发下产生等离激元共振。

12、本发明的有益效果为：

13、1.利用二维材料阻挡原子迁移、扩散的方法，实现了纳米颗粒界面的保护。不同于传统致密材料的物理包覆及晶格阻断作用，本发明利用少层二维材料作为阻挡层，基于静电相互作用，可阻挡纳米颗粒组装体在高温等极端条件下的原子扩散，增强电极的界面稳定性；

14、2.本发明可以进一步适用于不同的金属电极材料及二维材料；

15、3.本发明工艺简单，适用于室温、溶液相处理，不需要引入气相沉积等阻挡层加工手段；

16、4.本发明兼容于不同的电极间距。

技术特征：

1.一种利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其特征在于：包括二维材料层和设于二维材料层表面的至少两个间隔设置的纳米金属组装体，所述纳米金属组装体与所述二维材料层表面之间具有静电力形成的间隙，所述间隙的宽度为2-3nm。

2.根据权利要求1所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其特征在于：所述二维材料层为mote2、石墨烯或mos2，厚度为3～8nm。

3.根据权利要求1所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其特征在于：所述纳米金属组装体为纳米金属颗粒或由纳米金属颗粒构造的结构层。

4.根据权利要求3所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其特征在于：所述纳米金属颗粒为棒金六角板，直径161.05±6.16nm，边长71.31±6.41nm。

5.根据权利要求3所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其特征在于：所述纳米金属组装体作规模化制备小间距晶体管、阻变存储器、隧穿电子器件或真空电子器件。

6.权利要求1～5任一项所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构的制备方法，其特征在于：通过湿法转移工艺，于基底上进行纳米金属颗粒的自组装，于基底表面形成覆盖纳米金属组装体的转移层，然后采用第一腐蚀液腐蚀去除基底；将带有纳米金属组装体的转移层转移至二维材料层表面，然后采用第二腐蚀液腐蚀去除转移层。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：利用电子束曝光的方法，在sio2/si牺牲基底表面制备pmma沟槽作为模板，将金属纳米颗粒溶液滴在表面，静置至溶液干燥，让金属纳米颗粒在沟槽中完成自组装，将sio2/si牺牲基底浸泡于丙酮中去除pmma，在sio2/si牺牲基底表面得到规模化的小间距金属纳米颗粒组装体。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在所述牺牲基底表面旋涂pmma作为转移层，利用hf湿法转移的方法，去除所述牺牲基底，通过转移层将纳米颗粒组装体转移至设有二维材料层的目标基底表面，然后剥离所述转移层。

9.一种等离激元器件，其特征在于：包括权利要求1～5任一项所述的利用纳米间隙抑制金属原子迁移的结构，其中二维材料层设于一衬底上，纳米金属组装体周期性排列于二维材料层表面，在光的激发下产生等离激元共振。

技术总结
本发明公开了一种利用纳米间隙抑制金属原子迁移的方法。利用二维材料与金属之间非直接接触的静电力间隙，可以稳定金属原子界面，抑制原子迁移。即使在加热条件下，金属原子与二维材料的静电间隙界面仍保持稳定，而未保护的原子界面则出现了原子迁移、融化导致的明显形变。与现有技术相比，本发明不依赖于二维材料对表面的直接接触，并可以在原子尺度上有效阻隔原子扩散，满足小尺寸电子器件高温可靠性的应用需求。

技术研发人员：朱志,张苏卉,王可心,张兆萱,孙伟
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5