專利名稱：含門電極的納米電極對(duì)的制備方法及所制備的納米電極對(duì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種含門電極的納米電極對(duì)的制備方法及所 制備的納米電極對(duì)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)目按指數(shù)增長，相應(yīng)的單個(gè)器 件的尺寸也越變?cè)叫　ｋS著尺寸的減小，將達(dá)到傳統(tǒng)器件所能滿足的極限，摩爾定律也將失 效。為了適應(yīng)這一發(fā)展，納米器件甚至分子器件將是未來的發(fā)展重點(diǎn)。為了研究納米器件 的電學(xué)性質(zhì)，把納米器件連接到外電路是必要的。因此我們必須發(fā)展一種制備納米尺度的 電極對(duì)的方法。人們已經(jīng)發(fā)展出了一些制備納米電極對(duì)的方法。主要方法包括1.采用光亥Ij 或 EBL 或 FIB 的方法(Steinmann，P. and J. Μ.R.Weaver (2004). " Fabrication of sub_5nm gaps between metallic electrodesusing conventional lithographic techniques. " Journal of VacuumScience & Technology B 22(6) :3178_3181)，這種方法能制備含門電極的納米電 極對(duì)，但是對(duì)電極的形貌控制不是很好；2.機(jī)械拉伸細(xì)金屬絲從而在中間形成納米電極對(duì)的方法(M.A.Reed etal, Conductance of a molecular junction, Science 278,252 (1997))；3.電化學(xué)沉積的方法(C. Z. Li, X. E. He, and N. J. Tao, Quantizedtunneling current in the metallic nanogaps formed by electrodepositionand etching,Applied Physics letters 77,3995(2000))；4. % ii # (electromigration) J^ ^ (H. Park, A. K. L. Lim, Alivisatos, A. P. , et al. , Fabrication of metalIi celectrodes with nanometerseparation by electromigration, Applied Physics Letters 74,301(1999))；第 2、3、4 種方法可以產(chǎn)生 幾個(gè)納米的電極對(duì)，但這些方法很難形成門電極；5.利用碳納米管為阻擋層，結(jié)合電子束曝光，制備納米尺度的電極對(duì) (Chung, J. H. , K. H. Lee, et al. (2003). " Nanoscale gap fabricationby carbon nanotube-extracted lithography (CEL). “ Nano Letters 3(8) : 1029-1031)，這禾中方法對(duì) 電極形貌控制比較好，但是尚未發(fā)展出制備包含門電極的納米電極對(duì)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種含門電極的納米電極對(duì)的制備方法及所制備的納米 電極對(duì)。一方面，本發(fā)明提供一種含有門電極的納米電極對(duì)的制備方法，包括以下步驟步驟一、在基底上制備碳納米管十字架構(gòu)型，所述碳納米管十字架構(gòu)型至少中心 部分懸空于基底上方；
步驟二、以所述碳納米管十字架構(gòu)型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構(gòu)型的中心 位置制備第一對(duì)電極和第二對(duì)電極，所述第一對(duì)電極和所述第二對(duì)電極的每對(duì)中的兩個(gè)電 極彼此相對(duì)；
步驟三、去除所述碳納米管十字架構(gòu)型。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述步驟一包括步驟A、在所述基底上制備兩對(duì)輔助電極，其中第一對(duì)輔助電極將第一根碳納米管 懸空的固定在所述基底上，第二對(duì)輔助電極中的兩個(gè)電極分別位于所述第一根碳納米管兩 側(cè)；步驟B、在所述第二對(duì)輔助電極的兩個(gè)電極之間施加交變電場，將第二根碳納米管 拉到所述第二對(duì)輔助電極之間，所述第二根碳納米管和第一根碳納米管組成所述碳納米管 十字架構(gòu)型。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述步驟A包括制備含碳納米管的懸濁液；在所述基底上涂覆第一層光刻膠，然后在所述第一層光刻膠上添加所述含碳納米 管的懸濁液，對(duì)沉積在所述第一層光刻膠上的所述第一根碳納米管進(jìn)行定位，并在其上涂 覆第二層光刻膠；利用曝光、顯影和蒸鍍技術(shù)在涂覆有光刻膠的所述基底上制作所述兩對(duì)輔助電 極；進(jìn)行去膠程序。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述第一層光刻膠厚度為80-120 納米，所述第二層光刻膠厚度為200-300納米。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述步驟二中，所述第一對(duì)電極 和所述第二對(duì)電極的制備是在所述碳納米管十字架構(gòu)型上涂覆一層光刻膠，然后利用曝 光、顯影以及蒸鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，并且在制備好所述第一對(duì)電極和所述第二對(duì)電極之后，包括 去膠程序。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述光刻膠厚度為400-600納米。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，在施加所述交變電場時(shí)，所述第 二對(duì)輔助電極與一電阻串聯(lián)，所述電阻的阻值大于20兆歐姆。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述第一對(duì)電極和第二對(duì)電極的 厚度小于所述碳納米管十字架構(gòu)型距離所述基底的距離。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述基底為Si或SiO2，所述碳納 米管為利用電弧放電法制備的多壁碳納米管。如上所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，所述去除所述碳納米管十字架構(gòu) 型的步驟是通過利用600度左右的溫度熱氧化實(shí)現(xiàn)的。另一方面，本發(fā)明提供一種含門電極的納米電極對(duì)，其實(shí)采用如上所述的含門電 極的納米電極對(duì)的制備方法制備的。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案相對(duì)已有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1)可以利用不同粗細(xì)的碳納米管做阻擋層，從而制備出不同間距的納米電極對(duì)。電極的形貌可以由納米管粗細(xì)，納米管十字架構(gòu)型距離基底的距離等參數(shù)控制。2)以往利用碳納米管為阻擋層制備納米電極對(duì)的方法都沒有含門電極，而此方法 制備的納米電極對(duì)包含兩個(gè)門電極。



下面參照附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步描述。圖la)為不含門電極的納米電極對(duì)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖lb)為含一個(gè)門電極的納米電極對(duì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備含兩個(gè)門電極的納米電極對(duì)的方案示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)含門電極的納米電極對(duì)制備方法進(jìn)行詳細(xì)地說明一、在基底上制備至少中心部分懸空的多壁碳納米管十字架構(gòu)型，具體過程如 下(a)、首先，采用電弧放電法制備多壁碳納米管，之所以采用這種方法而不是化學(xué) 氣相沉積(CVD)法就在于電弧放電法制備的多壁碳納米管硬度比較好也比較直。取少量制 備出的多壁碳納米管放入酒精試管中，采用超聲分散約半個(gè)小時(shí)，制備得到多壁碳納米管 懸濁液。(b)、參考圖2(a)，為了和現(xiàn)在的硅電子工藝兼容，我們采用Si/Si02基底，先在基 底上涂覆IOOnm厚的光刻膠(此為第一層光刻膠)，這里我們采用聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methylmethacrylate, PMMA)，然后在基底上滴加一定量含多壁碳納米管的懸濁液。這里 第一層光刻膠的厚度決定了后面懸空的多壁碳納米管距離基底的距離，所以其厚度不能太 大，也不宜太小，以80-120nm為宜，這里我們優(yōu)選lOOnm。而且，懸濁液要求分散性好，濃度 低，這樣便于在基底上分離出單獨(dú)的一根多壁碳納米管(第一根多壁碳納米管)而不是多 壁碳納米管團(tuán)或者束。本實(shí)施例中，采用電子顯微鏡，利用基底上的三個(gè)十字形標(biāo)記對(duì)沉積 在基底上的第一根多壁碳納米管進(jìn)行定位。參考圖2(b)，在已經(jīng)沉積第一根多壁碳納米管 的基底上再旋涂一層PMMA (第二層光刻膠)，為了保證曝光效果，這里第二層光刻膠要比第 一層厚點(diǎn)，以200納米到300納米為宜，這里我們優(yōu)選的采用260納米厚的PMMA ；(c)、參考圖 2(c)，利用電子束曝光技術(shù)(Electron Beam Lithography, EBL，設(shè)備 型號(hào)為Raith 150)在第一和第二層光刻膠上定義所需要的輔助電極圖形，這里的輔助電 極為四個(gè)長條狀電極。然后利用標(biāo)準(zhǔn)的顯影溶液(3比1的甲基異丁基酮(MIBK)與異丙醇 (IPA)溶液)去掉曝光的圖形部分；進(jìn)行第一次熱蒸鍍以制作輔助電極，先蒸鍍20nm厚的 鎳(為了提高后面蒸鍍的金電極和基底的附著力)，之后蒸鍍IOOnm厚的金(也可以采用 鎳，鉬等金屬)。如圖所示，其中兩個(gè)(第一對(duì))輔助電極a、b將基底上的第一根多壁碳納米 管固定在基底上(輔助電極a、b之間的距離根據(jù)第一根多壁碳納米管的長度適當(dāng)選取，僅 用于起固定作用)，這里所蒸鍍的第一對(duì)輔助電極厚度要比第一根多壁碳納米管距離基底 的距離大，所以第一對(duì)輔助電極可以把第一根多壁碳納米管固定在基底上；另外兩個(gè)(第 二對(duì))輔助電極分別位于第一根多壁碳納米管兩側(cè)，第二對(duì)輔助電極的兩輔助電極間距約 為2微米，第二對(duì)輔助電極的連線與所述第一根多壁碳納米管之間的夾角為60-120度，優(yōu)選為90度。(d)、隨后進(jìn)行去膠(lift-off)程序，清除基底上的光刻膠從而就獲得了具有懸 空的第一根多壁碳納米管的納米器件，第一根多壁碳納米管離基底大約IOOnm左右； (e)、參考圖2(d)，在基底上滴加一定量含多壁碳納米管的懸濁液，在基底上的第 二對(duì)輔助電極之間施加交變電場，采用電泳的方法將一根多壁碳納米管(第二根多壁碳納 米管)拉到第二對(duì)輔助電極之間，該第二根多壁碳納米管和第一根多壁碳納米管就組成了 多壁碳納米管的十字架構(gòu)型，如圖所示。由于懸濁液中的多壁碳納米管大概2到10個(gè)微 米長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比第一根多壁碳納米管距離基底的距離大，而且懸空的第一根多壁碳納米管由 于重力是略微下垂的，又考慮到這根碳納米管的阻擋，所以我們把懸濁液滴上去后，其中的 多壁碳納米管在液體里不斷的布朗運(yùn)動(dòng)的過程中，從第一根碳納米管上部被吸到第二對(duì)輔 助電極之間的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從第一根碳納米管的下部被吸到第二對(duì)輔助電極之間的概率 大。如果第二根多壁碳納米管從第一根碳納米管的上部被吸到第二對(duì)輔助電極之間，則其 受到第一根多壁碳納米管的支撐而懸空，即使兩端部分會(huì)一定程度下垂，但至少其中心部 分(即與第一根多壁碳納米管相交部分附近)懸空。但如果懸濁液中的多壁碳納米管從第 一根碳納米管的下部被吸到第二對(duì)輔助電極之間，這樣的多壁碳納米管十字架構(gòu)型不符合 要求，需要重新進(jìn)行以上步驟制作符合要求的多壁碳納米管的十字架構(gòu)型，以保證第二根 碳納米管同樣懸空。其中，所施加的交變電場的峰值可為1到5個(gè)伏特，具體根據(jù)第二對(duì)輔助電極間距 決定，間距越大，所需電壓也應(yīng)該越大，這里采用2個(gè)伏特的5兆赫茲左右的交變電場，這里 電場可以用頻率為50千赫茲到50兆赫茲的正弦，三角波，方波等各種波形的交變電場。為 了保證第二對(duì)輔助電極之間只拉上一根多壁碳納米管，可以與第二對(duì)輔助電極串聯(lián)了一個(gè) 阻值為100ΜΩ的大電阻(該電阻的阻值也可以為大于20ΜΩ的其它值)。并且還可以串 聯(lián)一個(gè)監(jiān)控的納安表，然后不斷的滴加多壁碳納米管懸濁液，當(dāng)?shù)诙啾谔技{米管被拉 到第二對(duì)輔助電極之間后，第二對(duì)輔助電極之間就會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)電流增大，出現(xiàn)一個(gè)電流躍 變。由于我們串聯(lián)了一個(gè)大電阻，當(dāng)拉上所述第二根多壁碳納米管(其導(dǎo)電性能良好)后， 回路導(dǎo)通，電流增大，從而交變電場幾乎都加在串聯(lián)的大電阻上，第二對(duì)輔助電極之間的電 壓減小，從而阻止拉上更多的多壁碳納米管，并且監(jiān)控的納安表信號(hào)變大，說明可能已經(jīng)成 功形成多壁碳納米管十字架，此時(shí)我們不再滴加多壁碳納米管懸濁液。二、以上面所得的多壁碳納米管十字架構(gòu)型為阻擋層，在多壁碳納米管十字架構(gòu) 型的中心附近制備兩對(duì)電極，具體步驟如下參考圖2(e)，用前面制備的多壁碳納米管十字架為阻擋層，采用電子束曝光、顯影 以及熱蒸鍍的方法蒸鍍一個(gè)以多壁碳納米管十字架構(gòu)型的交叉點(diǎn)為中心的十字形，該十字 形相對(duì)于多壁碳納米管十字架構(gòu)型大體偏轉(zhuǎn)45度，并且構(gòu)成十字形的兩個(gè)交叉的條形部 的寬度均約為lOOnm。由于有多壁碳納米管十字架阻擋，蒸鍍所得到的將是如圖2(f)所示 的在多壁碳納米管十字架的四個(gè)對(duì)角處的四個(gè)電極——電極1、2、3、4(即兩對(duì)彼此交叉的 電極第一對(duì)電極和第二對(duì)電極，每對(duì)電極的中的兩個(gè)電極彼此相對(duì))。具體方法同步驟 3、4類似，先在基底上旋涂一層PMMA(第三層光刻膠)，由于基底上已經(jīng)有一定高度的電極 了，為了保證良好的曝光和顯影，其厚度比第二層光刻膠厚一些，可以為400-600nm，優(yōu)選為 500納米；按照上述欲形成的納米電極對(duì)的圖形進(jìn)行電子束曝光。然后，進(jìn)行第二次熱蒸鍍，熱蒸鍍層厚度為50個(gè)納米，注意第二次熱蒸鍍的電極厚度要比多壁碳納米管距離基底 的距離小，所以所形成的十字形電極在多壁碳納米管下部，多壁碳納米管只起阻擋層作用 進(jìn)而在十字形電極的交叉部分形成間隙，但不能被電極壓住。由于第二次熱蒸鍍所得到的 電極位于多壁碳納米管十字架構(gòu)型的中心(交叉點(diǎn))附近，且其尺寸相對(duì)于第一次蒸鍍時(shí) 兩對(duì)輔助電極之間的間距小，所以所述兩對(duì)輔助電極位于所得的交叉電極的外圍，故在圖 2(f)中未示出。隨后，進(jìn)行去膠(lift-off)程序，清除基底上的光刻膠。
三、去除多壁碳納米管十字架構(gòu)型，具體如下如圖2 (g)，用熱氧化的方法，從步驟二所得的所述含碳納米管十字架構(gòu)型的納米 器件中去除所述碳納米管十字架構(gòu)型，剩下的就是我們需要的含門電極的納米電極對(duì)，這 里我們采用熱氧化的方法。我們提到的熱氧化是指在空氣環(huán)境下，在石英管式爐內(nèi)用600 度左右的溫度將所得的納米器件加熱2個(gè)小時(shí)左右，使得多壁碳納米管被氧化，而金電極 由于高熔點(diǎn)和良好的抗氧化性能會(huì)比較好的保留下來，最終形成含門電極的納米電極對(duì)。 利用多壁碳納米管十字架構(gòu)型為阻擋層，蒸鍍得到的第一對(duì)電極(電極1、2)和第二對(duì)電極 (電極3、4)，如果其中一對(duì)電極，例如電極1和電極2做用作電極，那么電極3、4就是門電 極。其中，所得的納米電極對(duì)間距由所采用的多壁碳納米管的粗細(xì)決定，用作阻擋層的多壁 碳納米管越粗，所得的納米電極對(duì)間距越大，本實(shí)施例中，所得的納米電極對(duì)間距為5nm左 右ο當(dāng)然，根據(jù)需要，我們也可以制作其它形狀的電極，這些均可以通過電子束曝光時(shí) 曝光形狀的適當(dāng)改變而實(shí)現(xiàn)。所述第一對(duì)電極和第二對(duì)電極之間的夾角可以根據(jù)需要適當(dāng) 改變，例如，在60-120度之間改變。雖然上面實(shí)施例中采用Si/Si02作為基底，但根據(jù)具體需要基底可以采用其他材 料。同樣，應(yīng)該理解，雖然本例中的光刻膠采用PMMA，但是在其它情況下也可以采用適于 電子束曝光的其它光刻膠。另外，本例中優(yōu)選采用多壁碳納米管作為阻擋層，但是原則上 來講，單壁碳納米管也可以，但是單壁碳納米管較細(xì)，用它做阻擋層制備的電極間隙雖然很 小，如果蒸鍍?cè)O(shè)備性能不好，電極容易導(dǎo)通，而采用多壁碳納米管制備的電極間距稍微大 點(diǎn)，但是不容易導(dǎo)通。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種含有門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一、在基底上制備碳納米管十字架構(gòu)型，所述碳納米管十字架構(gòu)型至少中心部分懸空于基底上方；步驟二、以所述碳納米管十字架構(gòu)型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構(gòu)型的中心位置制備第一對(duì)電極和第二對(duì)電極，所述第一對(duì)電極和所述第二對(duì)電極的每對(duì)中的兩個(gè)電極彼此相對(duì)；步驟三、去除所述碳納米管十字架構(gòu)型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所述步驟 一包括步驟A、在所述基底上制備兩對(duì)輔助電極，其中第一對(duì)輔助電極將第一根碳納米管懸空 的固定在所述基底上，第二對(duì)輔助電極中的兩個(gè)電極分別位于所述第一根碳納米管兩側(cè)；步驟B、在所述第二對(duì)輔助電極的兩個(gè)電極之間施加交變電場，將第二根碳納米管拉到 所述第二對(duì)輔助電極之間，所述第二根碳納米管和第一根碳納米管組成所述碳納米管十字 架構(gòu)型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所述步驟A 包括制備含碳納米管的懸濁液；在所述基底上涂覆第一層光刻膠，然后在所述第一層光刻膠上添加所述含碳納米管的 懸濁液，對(duì)沉積在所述第一層光刻膠上的所述第一根碳納米管進(jìn)行定位，并在其上涂覆第 二層光刻膠；利用曝光、顯影和蒸鍍技術(shù)在涂覆有光刻膠的所述基底上制作所述兩對(duì)輔助電極；進(jìn)行去膠程序。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所述第一 層光刻膠厚度為80-120納米，所述第二層光刻膠厚度為200-300納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，在施加所 述交變電場時(shí)，所述第二對(duì)輔助電極與一電阻串聯(lián)，所述電阻的阻值大于20兆歐姆。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所述步驟 二中，所述第一對(duì)電極和所述第二對(duì)電極的制備是在所述碳納米管十字架構(gòu)型上涂覆一層 光刻膠，然后利用曝光、顯影以及蒸鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，并且在制備好所述第一對(duì)電極和所述第 二對(duì)電極之后，包括去膠程序。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所述光刻 膠厚度為400-600納米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所 述第一對(duì)電極和第二對(duì)電極的厚度小于所述碳納米管十字架構(gòu)型距離所述基底的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的含門電極的納米電極對(duì)的制備方法，其特征在于，所 述基底為Si或SiO2,所述碳納米管為利用電弧放電法制備的多壁碳納米管。
10.一種含門電極的納米電極對(duì)，其是采用根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的含門電極的 納米電極對(duì)的制備方法制備的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含有門電極的納米電極對(duì)的制備方法以及通過該方法制備的納米電極對(duì)。本發(fā)明的制備方法包括(一)在基底上制備至少中心部分懸空的多壁碳納米管十字架構(gòu)型；(二)以碳納米管十字架構(gòu)型為阻擋層，圍繞碳納米管十字架構(gòu)型的中心位置制備第一對(duì)電極和第二對(duì)電極，所述第一對(duì)電極和所述第二對(duì)電極的每對(duì)中的兩個(gè)電極彼此相對(duì)；(三)去除碳納米管十字架構(gòu)型。本發(fā)明還提供利用上述方法制備的含門電極的納米電極對(duì)。
文檔編號(hào)H01L29/41GK101863450SQ20091008247
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者劉政, 孫連峰, 鄭凱泓, 黃海波 申請(qǐng)人:國家納米科學(xué)中心