專利名稱：納米間隙電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于分子組裝技術(shù)的制備納米間隙電極的選擇性化學(xué)沉積方法，屬于納米結(jié)構(gòu)、納米電子器件的加工的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米間隙電極的制備無論對(duì)于納電子學(xué)、納米生物醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究，還是對(duì)于納電子器件、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)器件等的制造與應(yīng)用研究都具有非常重要的意義。傳統(tǒng)光刻技術(shù)加工的電極間隙的極限只能在亞微米量級(jí)，而不能達(dá)到納米量級(jí)。近年來涌現(xiàn)出了不少制備納米間隙電極的方法，比如電子束刻蝕法、分子束外延法、掃描探針納米刻蝕法、電鍍法、電子遷移法、接點(diǎn)熔斷法、碳納米管掩模法、碳納米桿法等。這些方法為構(gòu)筑納米電子器件以及研究納米尺度下功能結(jié)構(gòu)的輸運(yùn)特性打下了一定的基礎(chǔ)。但是，這些方法都存在一些不足之處，比如，電子束刻蝕法加工費(fèi)用高，效率低，其高能入射電子束產(chǎn)生的鄰近效應(yīng)會(huì)給制備的電極帶來固有缺陷；分子束外延法成本高，制備工序復(fù)雜，且不適于三端及三端以上器件的制備；原子力顯微鏡納米刻蝕法掃描范圍較小，且速度較慢，不易制備大面積的產(chǎn)品；電鍍法制備過程中電極兩端需要引線外加電壓，只能對(duì)具體的器件進(jìn)行個(gè)別的操作；接點(diǎn)斷裂法也不能批量生產(chǎn)，且不適于三端及三端以上器件的制備；電子遷移法制備的電極外形不規(guī)則，制備過程不易控制；碳納米桿法和碳納米管掩模法成本較高，制備的電極形狀不規(guī)則。到目前為止，制備納米間隙電電極的方法基本上僅適于實(shí)驗(yàn)室研究工作，普遍存在推廣應(yīng)用方面的障礙，還沒有形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，尚無法滿足日益增加的迫切需求。
納米加工技術(shù)作為一門新興、研究非?；钴S的多交叉學(xué)科，基于新材料、新原理、新工藝，還存在巨大的發(fā)展空間。選擇性化學(xué)鍍法是一種非常新穎、具有批量化生產(chǎn)潛力的制備納米間隙電極的方法，但現(xiàn)有技術(shù)(ZL01113578.6)采用傳統(tǒng)的氯化亞錫敏化-氯化鈀活化的化學(xué)鍍前處理工藝，鈀催化劑的吸附?jīng)]有選擇性，需要在硅基材料表面的組裝光敏薄層、并結(jié)合曝光、顯影來調(diào)制僅電極材料表面顯現(xiàn)的引發(fā)劑圖形，涉及步驟繁瑣，工藝較為復(fù)雜，且錫膠體敏化層厚度較厚并在制備的納米間隙電極中引入了低熔點(diǎn)錫雜質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于發(fā)展一種簡(jiǎn)便易行、成本低廉、易于推廣的納米間隙電極的制備方法。
技術(shù)方案本發(fā)明基于原型電極表面組裝的單分子膜的空間限域效應(yīng)，定位誘導(dǎo)金屬在電極的裸露表面的選擇性沉積，通過金屬層的自催化外延生長(zhǎng)，使電極的間距從微米或亞微米級(jí)縮減到納米級(jí)，實(shí)現(xiàn)納米間隙電極的簡(jiǎn)便低廉化可控加工。制備的方法如下首先，用傳統(tǒng)光刻工藝制備出微米或亞微米間隙的原型電極；在上述電極材料表面采用分子組裝技術(shù)獲得雙功能分子X-R-Y的單分子膜；再利用該單分子膜朝向外表面的活性端基Y化學(xué)吸附化學(xué)鍍引發(fā)劑；繼而在電極/溶液界面引發(fā)金屬層的選擇性化學(xué)沉積，獲得納米間隙電極。
其中，原型電極指以硅基材料為基材，用普通光刻工藝加工出的具有微米或亞微米間隙的雙極或多極電極結(jié)構(gòu)，電極材料為金屬材料，通常為金、銀、銅等；雙功能分子X-R-Y，對(duì)于硅基材料沒有反應(yīng)活性。其中X為可與原型電極金屬材料自發(fā)進(jìn)行分子組裝的官能團(tuán)，對(duì)于金、銀電極，優(yōu)選基團(tuán)為含S基團(tuán)，如巰基(-SH)或二硫基(如-S-S-R-Y)；Y為可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團(tuán)，通常含有S、N、P、O元素，如氨基、巰基、氰基、磷酰基、羧基；R為有機(jī)分子骨架，如碳鏈、芳環(huán)，R中還可帶有含S、N、P、O元素的活性基團(tuán)及側(cè)鏈。
化學(xué)鍍引發(fā)劑為金屬鈀、金、銀、鎳、鉑、銅的納米粒子；或是鈀、鉑、銀的離子。
納米間隙電極的材料可以是磁性或非磁性的金屬及其合金，如鎳、鈷、鈀、鉑、金、銀、銅及其合金材料。
技術(shù)效果a)方法操作簡(jiǎn)單、制造成本低廉，無須昂貴的設(shè)備投入就能非常簡(jiǎn)便地達(dá)到電極的納米加工；b)不僅適于雙電極結(jié)構(gòu)的加工，還適用于三端及三端以上器件和金屬納微結(jié)構(gòu)的制造；c)基于分子組裝技術(shù)誘導(dǎo)選擇性化學(xué)沉積，可在分子水平上調(diào)控電極的表面結(jié)構(gòu)；d)最終獲得的納米間隙電極的金屬材質(zhì)不受光刻技術(shù)或條件的制約，拓展了電極材料的種類，尤其是可以獲得磁性納米間隙電極；e)容易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以普通光刻工藝在硅基材料上加工出的具有微米或亞微米間隙的金電極結(jié)構(gòu)為原型電極，表面清洗干凈后放入雙功能分子巰基化合物HS-R-Y(如巰基乙胺或1，6-己二硫醇等)的乙醇溶液中進(jìn)行分子組裝；將組裝有雙功能分子的金電極放入鈀離子或鉑離子或銀離子的溶液中吸附離子基催化劑納米粒子；然后將吸附有催化劑的金電極分別放入鈀、鉑、金、銀、銅、鎳、鈷或合金鍍液中進(jìn)行化學(xué)鍍，分別得到鈀、鉑、金、銀、銅、磁性鎳、磁性鈷及其合金材料的納米間隙電極。
實(shí)施例2以普通光刻工藝在硅基材料上加工出的具有微米或亞微米間隙的金電極結(jié)構(gòu)為原型電極，表面清洗干凈后放入雙功能分子巰基乙胺或1，6-己二硫醇的乙醇溶液中進(jìn)行分子組裝；將組裝有雙功能分子的電極放入膠體銀溶液中吸附銀納米粒子；然后進(jìn)行化學(xué)鍍銀，得到銀納米間隙電極。將吸附有銀納米粒子的金電極進(jìn)行化學(xué)鍍鎳則得到磁性鎳納米間隙電極。
實(shí)施例3以普通光刻工藝在硅基材料上加工出的具有微米或亞微米間隙的金電極結(jié)構(gòu)為原型電極，表面清洗干凈后放入雙功能分子巰基乙胺或1，6-己二硫醇的乙醇溶液中進(jìn)行分子組裝；將組裝有雙功能分子的電極放入膠體金溶液中吸附金納米粒子；然后進(jìn)行化學(xué)鍍金，得到金納米間隙電極。
權(quán)利要求
1.一種納米間隙電極的制備方法，其特征在于制備的方法為首先，用傳統(tǒng)光刻工藝制備出微米或亞微米間隙的原型電極；在上述電極表面采用分子組裝技術(shù)獲得雙功能分子“X-R-Y”的單分子膜；再利用該單分子膜朝向外表面的活性端基Y化學(xué)吸附化學(xué)鍍引發(fā)劑；繼而在電極表面引發(fā)金屬的選擇性化學(xué)沉積，通過金屬層在電極表面的自催化外延生長(zhǎng)使原型電極的間隙從微米或亞微米級(jí)縮小到納米級(jí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于原型電極為以硅基材料為基材，用普通光刻工藝加工出的具有微米或亞微米間隙的雙極或多極電極結(jié)構(gòu)，電極材料為金屬材料，如金、銀、銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于所述的雙功能分子“X-R-Y”中，“X”為可與電極金屬材料自發(fā)進(jìn)行分子組裝的官能團(tuán)；“Y”為可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團(tuán)R為有機(jī)分子骨架。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于在雙功能分子“X-R-Y”中，可與原型電極金屬材料自發(fā)進(jìn)行分子組裝的官能團(tuán)“X”，對(duì)于金、銀電極為含S基團(tuán)，如巰基“-SH”，或二硫基，如“-S-S-R-Y”。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于在雙功能分子“X-R-Y”中，可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團(tuán)“Y”含有S、N、P、O元素中的一種或多種，如巰基、氨基、氰基、磷?；?、羧基。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于所述的雙功能分子“X-R-Y”中，R為有機(jī)分子骨架，如碳鏈、芳環(huán)，R中帶有含S、N、P、O元素的活性基團(tuán)及側(cè)鏈。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于化學(xué)鍍引發(fā)劑為金屬鈀、金、銀、鎳、鉑、銅納米粒子，或是鈀、鉑、銀的離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米間隙電極的制備方法，其特征在于納米間隙電極的材料是磁性或非磁性的金屬及其合金，如鎳、鈷、鈀、鉑、金、銀、銅及其合金材料。
全文摘要
納米間隙電極的制備方法是一種基于分子組裝技術(shù)的制備納米間隙電極的選擇性化學(xué)沉積方法，其制備的方法為首先，用傳統(tǒng)光刻工藝制備出微米或亞微米間隙的原型電極；在上述電極表面采用分子組裝技術(shù)獲得雙功能分子“X－R－Y”的單分子膜；再利用該單分子膜朝向外表面的活性端基Y化學(xué)吸附化學(xué)鍍引發(fā)劑；繼而在電極表面引發(fā)金屬的選擇性化學(xué)沉積，通過金屬層在電極表面的自催化外延生長(zhǎng)使原型電極的間隙從微米或亞微米級(jí)縮小到納米級(jí)。方法操作簡(jiǎn)單、制造成本低廉，無須昂貴的設(shè)備投入就能非常簡(jiǎn)便地達(dá)到電極的納米加工；是一種簡(jiǎn)便易行、成本低廉、易于推廣的納米間隙電極的制備方法。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1560904SQ200410014078
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者徐麗娜, 顧寧, 黃嵐, 王孟, 周凱常 申請(qǐng)人:東南大學(xué)