專利名稱：將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法以及分子存儲矩陣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法，以及涉及一種分子存儲矩陣。
在分子電子學(xué)中公知諸如“納米隙方法(Nanogap-Methode)”(C.Li、H.He、N.J.Tao，Applied Physics Letters 77，3995(2000年))以及“斷裂結(jié)方法(Break-Junction-Methode)”(M.A.Reed、C.Zhou、C.J.Muller、T.P.Burgin和J.M.Tour，Scienee 278，252(1997年))的方法，利用這些方法能接觸單個分子。其它方法在于將分子作為單分子層來接觸。用于涂覆作為單分子層的分子的方法是將襯底(分子層的所希望的載體)浸入由分子和溶劑所組成的電解液中。此外，“朗繆爾-勃洛吉特(Langmuir-Blodgett)法”(H.Wang、A.Reichert、J.O.Nagy，Langmuir 13，6524(1997年))也能用于制造單分子的分子層。
在應(yīng)用單分子層時，缺點在于，僅能建立和接觸完整的層或者層系統(tǒng)。這使得不能尋址單個分子。利用該方法只能困難地實現(xiàn)分子存儲矩陣，因為只有在可觀的工作量的情況下才能結(jié)構(gòu)化所涂覆的分子層。在此，結(jié)構(gòu)大小總是與當前分別為最好的結(jié)構(gòu)化方法有關(guān)。這在目前能利用直至2nm的電子束光刻法來結(jié)構(gòu)化?？墒牵谶@種情況下涉及一種費時的順序方法。利用該方法不能推進到單個分子的范圍中。
如果應(yīng)該結(jié)構(gòu)化單分子層，則存在損傷被設(shè)置為存儲元件的分子的危險。此外還存在以下缺點，即已借助“朗繆爾-勃洛吉特法”被涂覆的分子不構(gòu)成到電極的化學(xué)鍵。通過該事實得到高的分子電極接觸電阻和分子層的微小的穩(wěn)定性。借助“納米隙方法”或者“斷裂結(jié)方法”，同樣不能建立由大量分子存儲元件所組成的開關(guān)矩陣(schaltende Matrix)。
借助上述的方法，原則上不能將多個分子接觸位置集成到一個具有nm大小的存儲矩陣中。除此之外，對于若干矩陣裝置總是需要兩對電極；一對用于“尋址”分子內(nèi)的信息而一對用于“讀出”分子內(nèi)的信息。因此，目前僅僅存在不同的方法，以便有針對性地響應(yīng)單個分子，可是只作為單個分子接觸而不是作為陣列來響應(yīng)單個分子。
按照現(xiàn)有技術(shù)，迄今主要將云母上的薄的金膜或者金單晶用作接觸分子的底部電極。其原因在于，這些底部電極構(gòu)成了低的和能良好再現(xiàn)的表面粗糙度，并且優(yōu)選的是金硫接觸?？墒沁@具有以下缺點，即不能采用將硅用作襯底的占主導(dǎo)地位的CMOS工藝。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的改進方法，以及提供一種利用其能克服上述缺點的分子存儲矩陣。
從權(quán)利要求1的前序部分出發(fā)，根據(jù)本發(fā)明利用在權(quán)利要求1的特征部分中所說明的特征來解決該任務(wù)。此外，還從權(quán)利要求11的前序部分出發(fā)，根據(jù)本發(fā)明利用在權(quán)利要求11的特征部分中所說明的特征來解決該任務(wù)。
利用本發(fā)明方法能首次廉價地將任意數(shù)量的分子或分子存儲元件以結(jié)構(gòu)化的方式有針對性地涂覆到印制導(dǎo)線上，并且因此能首次提供一種分子級的存儲矩陣。利用本發(fā)明的存儲矩陣，從現(xiàn)在起能實現(xiàn)利用迄今所公知的存儲介質(zhì)不能達到的非常高的存儲密度。
在從屬權(quán)利要求中說明了有利的擴展方案。
附圖示意性地示出了本發(fā)明方法的多種可能的實施形式之一。
其中

圖1示出了將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法步驟，圖2示出了膠束(Mizelle)的結(jié)構(gòu)及其組成。
圖1示范性示意地示出了將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上以及用于制造分子存儲矩陣的可能的方法步驟。步驟a)示出了襯底1。步驟b)示出了用光刻膠2所涂層的襯底1。步驟c)示出了在光刻膠2中所產(chǎn)生的所希望的結(jié)構(gòu)3。步驟d)示出了在結(jié)構(gòu)化的光刻膠上所涂覆的應(yīng)該用作印制導(dǎo)線4的層。步驟e)示出了“剝離(Lift-Off)”之后在襯底1上留下的印制導(dǎo)線4。步驟f)示出了印制導(dǎo)線4和襯底1上的被離心涂布(aufschleudern)的光刻膠2。步驟g)示出了借助公知的結(jié)構(gòu)化方法從光刻膠2顯露的印制導(dǎo)線4。步驟h)示出了在印制導(dǎo)線4和光刻膠2上所涂覆的膠束(Mizelle)5。步驟i)示出了例如通過等離子刻蝕清除了聚合物鏈的金屬團簇(Cluster)6，這些金屬團簇6能用作分子的錨點(Ankerplatz)。步驟j)示出了具有所堆積的金屬團簇6的通過“剝離”所顯露的印制導(dǎo)線4。步驟k)示出了用保護層7所覆蓋的印制導(dǎo)線4和所覆蓋的襯底1。步驟1)示出了在保護層7中通過蝕刻所顯露的金屬團簇6。步驟m)示出了與金屬團簇6的所顯露的錨點相連接的功能性分子8。步驟n)示出了具有所結(jié)合的功能性分子8的金屬團簇6上的例如通過壓印來涂覆的頂部電極9，這些金屬團簇6被嵌入襯底1上的保護層7中。
圖2示出了膠束的結(jié)構(gòu)及其組成，該膠束由疏水的分子部分(A)和親水的分子部分(B)所組成，其中，“m”說明了疏水的分子部分的數(shù)量，而“n”說明了親水的分子部分的數(shù)量。在非極性的溶劑中得到了膠束構(gòu)成(C)。(D)示出裝載有金屬團簇的膠束。
以下應(yīng)示范性地詳細說明單個方法步驟，其中，方法步驟a)-e)再現(xiàn)了用于結(jié)構(gòu)化印制導(dǎo)線的多種按照現(xiàn)有技術(shù)公知的方法。從步驟f)開始，表明了用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的本發(fā)明方法。
由CMOS工藝的占主導(dǎo)地位的材料硅所組成的襯底1(步驟a)首先通過離心涂布用光刻膠2來涂層(步驟b)。隨后將光刻膠2的一部分進行曝光(步驟c)，以致在隨后的顯影之后，在光刻膠2的層中形成了所希望的結(jié)構(gòu)，諸如形成印制導(dǎo)線4的例如寬約2nm至20nm的窄的跡線(Spur)3。這例如可以通過電子束光刻法來實現(xiàn)，其中，允許涂覆結(jié)構(gòu)化的印制導(dǎo)線的所有公知的直接和間接的方法同樣是適用的。借助按照現(xiàn)有技術(shù)公知的方法，能將每種任意的所希望的結(jié)構(gòu)以及面積加工到光刻膠2的層中，并且因此也將任意的結(jié)構(gòu)用作印制導(dǎo)線4。
在下一步中，將印制導(dǎo)線4的材料涂覆到通過光刻所顯露的結(jié)構(gòu)3上以及涂覆到光刻膠2的還剩下的面積上(步驟d)。在此，能采用例如像汽相淀積或濺射那樣的公知方法。印制導(dǎo)線4必須滿足的基本條件是良好的導(dǎo)電性。由于此原因，應(yīng)采用諸如金、銅、鋁或鉑的材料。在另一方法步驟(也稱為“剝離”)(步驟e)中，通過用例如丙酮的溶劑進行處理，從襯底1除去印制導(dǎo)線4的所涂覆材料和光刻膠2的層，以致只還留下直接位于襯底1上的印制導(dǎo)線4?，F(xiàn)在又離心涂布一層光刻膠2，該層光刻膠2位于襯底1和印制導(dǎo)線4上(步驟f)。在下一方法步驟(步驟g)中，例如通過電子束和隨后的顯影，重新除去印制導(dǎo)線4上的光刻膠2的層并顯露印制導(dǎo)線4。通過將該裝置浸入具有膠束5的溶液中，膠束5積聚在光刻膠2上，以及直接積聚在印制導(dǎo)線4上(步驟h)，這些膠束5裝載有金屬離子或團簇6，諸如裝載有金離子或金團簇。
膠束5由兩性分子組成，這些兩性分子由疏水的分子部分和親水的分子部分組合，這些分子部分在非極性的溶劑(諸如甲苯)中構(gòu)成了膠束5(J.Spatz、M.Moeller、P.Ziemann，Phys.Blaetter 55，49(1999年))。
在這些膠束5的核心中，可以置入諸如金、鉑、鈀、鈦、銦、銀、銅或甚至于鎵的極其不同的金屬或其它所希望的金屬團簇。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，概念“團簇”不僅應(yīng)被理解為由多個金屬原子組成的團簇，而且還應(yīng)被理解為通過還原轉(zhuǎn)化成團簇的金屬離子的堆積。在例如通過用反應(yīng)的等離子體進行處理(即所謂的等離子刻蝕)除去了聚合物之后，按照等離子體的強度和方式而定，將聚合物汽相淀積或化學(xué)剝蝕(步驟i)。通過該汽相淀積過程，在印制導(dǎo)線4或光刻膠的層上僅留下被置入到膠束中的金屬團簇6。在下一步(步驟j)中，通過用溶劑(例如丙酮)進行處理來除去光刻膠2，以致僅留下了印制導(dǎo)線4和諸如金團簇的穩(wěn)定結(jié)合的金屬團簇6。以下(步驟k)，通過涂覆由諸如二氧化硅的電絕緣材料制成的保護層(protection-layer)7將以后用作分子的錨點的單個金屬團簇6電氣絕緣，以及保護該單個金屬團簇6免受其它直接的環(huán)境影響。通過用諸如“RIBE”(反應(yīng)離子束刻蝕(reactive ion beam etching))的剝蝕方法來處理表面，再次從保護層7中顯露金屬團簇6，以致金屬團簇6的表面是可供使用的(步驟1)。現(xiàn)在將功能性分子8涂覆到該金屬團簇6上(步驟m)。這例如可以通過浸入到用分子積聚的溶液中，但是也可以通過從氣相中汽相淀積分子來實現(xiàn)?？梢岳缤ㄟ^金硫橋鍵(Brueckenbindung)來實現(xiàn)將功能性分子8結(jié)合到金屬團簇6的錨點上。通過例如借助壓印(“Imprint”)來涂覆頂部電極9而結(jié)束該方法(步驟n)。
本發(fā)明涉及一種用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法，該方法包括以下方法步驟-將具有所置入的金屬團簇6的膠束5涂覆到結(jié)構(gòu)化的印制導(dǎo)線4上，
-除去圍繞金屬團簇6的膠束5的聚合物鏈，-將金屬團簇6置入到電絕緣的保護層7中，-針對功能性分子8，顯露金屬團簇6，-將功能性分子8結(jié)合到金屬團簇6上。
直接通過變化構(gòu)成膠束5的分子的聚合物鏈的長度，能明確地調(diào)節(jié)金屬團簇6相互之間的間距。通過所顯露的金屬團簇6的大小，(也就是既通過金屬團簇6的大小，又通過金屬團簇6的所顯露的橫截面的大小)，明確地調(diào)節(jié)每個金屬團簇6的功能性分子8的數(shù)量。由于膠束5能夠自行以有序的方式布置在結(jié)構(gòu)化的印制導(dǎo)線上，所以取消了用于結(jié)構(gòu)化存儲矩陣的費事的和成本昂貴的方法步驟。因此能廉價地并以簡單的方式和方法來建立極度稠密的存儲矩陣，單獨通過功能性分子的分子大小來限制該存儲矩陣的點密度。
在本方法的一種其它有利的改進方案中，在襯底表面上實現(xiàn)了具有不同寬度的印制導(dǎo)線4。此外，還采用了不同大小的和具有不同地被裝載的金屬團簇6的膠束5。
通過膠束5的疏水的和親水的部分能調(diào)節(jié)膠束5的大小。由此實現(xiàn)了，膠束5按照其大小只布置在不同寬度的為此所設(shè)置的和事先結(jié)構(gòu)化的印制導(dǎo)線4中或布置在相應(yīng)的面積中。例如首先通過涂覆“大的”膠束5來占用寬的印制導(dǎo)線4。于是隨后給“小的”膠束5裝載其它的金屬團簇，并且該“小的”膠束5被置入到窄的印制導(dǎo)線4中。因此能以結(jié)構(gòu)化的方式和方法在唯一的襯底表面上涂覆極其不同的金屬團簇6。在本方法的一種有利的實施方案中，采用來自Au、Pt、Pd、Ti、Fe、In、Ag、Co和/或Ga組中的至少一種成分作為金屬團簇6。不同大的金屬團簇6按照膠束5的大小布置在印制導(dǎo)線4的不同大的面積或?qū)挾壬?。這具有以下優(yōu)點，即具有相應(yīng)不同的結(jié)合基團(Ankergruppen)的有不同交換能力的分子也能選擇性地結(jié)合到明確定位的金屬團簇上(例如具有COOH結(jié)合基團的分子結(jié)合到Ti團簇上，而具有SH結(jié)合基團的分子結(jié)合到金團簇上)。這具有以下優(yōu)點，即選擇性地將不同的(至少兩種不同的)功能性分子8特定地結(jié)合到金屬團簇6的預(yù)定的不同類型的錨點上，并且因此能構(gòu)造具有能不同地被限定的特性的存儲矩陣。
本方法的一種有利的實施方案的特征在于，采用了具有不同長的聚合物鏈的膠束5。因此例如可以采用聚合物鏈在10nm至200nm之間的膠束5。這實現(xiàn)了，明確地調(diào)節(jié)功能性分子8的例如位于約109分子存儲元件密度/mm2至1011分子存儲元件密度/mm2之間的點密度。
在本方法的一種其它有利的實施方案中采用了不同大小的金屬團簇6。因此能明確地調(diào)節(jié)每個面積的功能性分子8的數(shù)量。金屬團簇6例如可以具有0.5nm至20nm的直徑。由于功能性分子8能占據(jù)0.1nm2至1.5nm2的面積，所以得到，按照金屬團簇6的直徑而定，能將約在1-3500之間的功能性分子8結(jié)合到金屬團簇6的錨點上。
在本方法的一種有利的實施方案中，通過蝕刻過程來變化金屬團簇6的表面的可使用性，并且因此變化每個金屬團簇6的錨點的數(shù)量。從保護層中顯露的金屬團簇6的表面越多，則有越多的錨點可供功能性分子8使用。因此存在一種在金屬團簇6上明確地調(diào)節(jié)功能性分子8的數(shù)量的其它可能性。
本方法的一種有利的實施方案包括應(yīng)用功能性分子8，在電場改變時、在電動機械條件改變時、在光和/或電化學(xué)條件改變時，這些功能性分子8隨著電荷密度的變化、電子配置的變化、原子團的構(gòu)造變化或運動、電子的被激勵的狀態(tài)和/或磁自旋的變化而作出反應(yīng)。
本發(fā)明方法的優(yōu)點在于，能以10nm至200nm的規(guī)定的間距在任意材料的印制導(dǎo)線上成束地涂覆能被用作存儲元件的功能性分子(＝分子存儲元件)，所述束由其數(shù)量由錨點的大小來預(yù)定的少量分子(1-N個，N＜100并且優(yōu)選地N～2-10，其中N等于分子的數(shù)量)構(gòu)成。只能以這種方式利用存儲器或開關(guān)元件的單個分子的離散的能量水平。
如果這對于執(zhí)行本方法是合宜的，則能補入其它的方法步驟，而不損害本方法。
此外，本發(fā)明的主題還是一種通過本發(fā)明方法制造的分子存儲矩陣。
權(quán)利要求
1.用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法，該方法包括以下方法步驟-將具有所置入的金屬團簇(6)的膠束(5)涂覆到結(jié)構(gòu)化的印制導(dǎo)線(4)上，-除去圍繞所述金屬團簇(6)的膠束(5)的聚合物鏈，-將所述金屬團簇(6)置入電絕緣的保護層(7)中，-針對功能性分子(8)顯露金屬團簇(6)，-將所述功能性分子(8)結(jié)合到所述金屬團簇(6)上。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)要被涂覆的膠束(5)的大小來顯露印制導(dǎo)線(4)的面積。
3.按權(quán)利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，將來自Au、Pt、Pd、Ti、Fe、In、Ag、Co和/或Ga組中的至少一種成分用作金屬團簇(6)。
4.按權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通過將襯底(1)浸入具有膠束(5)的溶液中來執(zhí)行所述膠束(5)的涂覆。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，采用具有不同長的聚合物鏈的膠束(5)。
6.按權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，采用聚合物鏈在10nm至200nm之間的膠束(5)。
7.按權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，采用不同大小的金屬團簇(6)。
8.按權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，采用具有0.5nm至20nm大小的金屬團簇(6)。
9.按權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，通過蝕刻過程來變化所述金屬團簇(6)的錨點的大小。
10.按權(quán)利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，應(yīng)用功能性分子(8)，在電場改變時，在電動機械條件改變時，在光和/或電化學(xué)條件改變時，所述功能性分子(8)隨著電荷密度的變化、電子配置的變化、原子團的構(gòu)造變化或運動、電子的被激勵的狀態(tài)和/或磁自旋的變化而作出反應(yīng)。
11.分子存儲矩陣，其通過根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的方法來制造。
12.按權(quán)利要求11所述的分子存儲矩陣，其包括具有印制導(dǎo)線(4)上的所結(jié)合的功能性分子(8)的金屬團簇(6)。
13.按權(quán)利要求11至12之一所述的分子存儲矩陣，其特征在于，所述分子存儲矩陣具有109分子存儲元件/mm2至1011分子存儲元件/mm2的點密度。
14.按權(quán)利要求11至13之一所述的分子存儲矩陣，其特征在于，所述分子存儲矩陣在印制導(dǎo)線(4)上具有規(guī)定數(shù)量和位置的功能性分子(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將分子結(jié)構(gòu)化涂覆到印制導(dǎo)線上的方法以及一種分子存儲矩陣。利用本發(fā)明方法，能首次廉價地并以簡單的方式和方法將任意數(shù)量的分子存儲元件以結(jié)構(gòu)化的方式有針對性地涂覆到印制導(dǎo)線上，并且因此能首次提供分子級的存儲矩陣。
文檔編號H01L51/40GK101080826SQ200580043355
公開日2007年11月28日 申請日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者S·克龍霍爾茨, S·卡托瑟 申請人:于利奇研究中心有限公司