本發(fā)明屬于一種以單層石墨烯為電極的機械可控納米間隙的單分子結(jié)，涉及分子電子學、納米材料、化學等諸多領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在電子器件微型化的潮流中，分子電子學在近些年得到迅猛發(fā)展，各種分子結(jié)技術(shù)應運而生。而且相對于多分子結(jié)來說，單分子結(jié)更小但又不失原有特性，所以單分子結(jié)得到了更大的發(fā)展。到目前為止，構(gòu)建單分子結(jié)的技術(shù)有很多，其中包括：電遷移法、電化學沉積法、表面擴張介導沉積法、掃描探針顯微鏡法、機械可控斷裂結(jié)法等技術(shù)。相對于其他技術(shù)來說，機械可控斷裂結(jié)法表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢，例如：操作簡便，可精確控制間隙，穩(wěn)定性較高等優(yōu)勢。

單分子結(jié)就是將單個有機分子嵌入兩個納米電極之間形成電極-單分子-電極結(jié)，而構(gòu)建單分子結(jié)的關(guān)鍵就是使電極與分子之間通過共價鍵來穩(wěn)定高效地連接起來。通常，單分子結(jié)的電極主要是由金屬來充當，形成金屬-單分子-金屬結(jié)。與金屬連接的硫醇分子容易被氧化聚集，此時金屬與分子容易形成非歐姆接觸；金屬點電極的加工工藝復雜，且難以精確控制電極的構(gòu)形及所測量的分子的數(shù)目。本發(fā)明中利用機械可控納米裂結(jié)技術(shù)制備的單層石墨烯電極，則完全避免了上述問題。而且單層石墨烯本身就是一個大分子，更易于與分子連接，同時也展現(xiàn)了較好的導電性。由此可知，單層石墨烯是一個比較適合的電極材料。

通常，一些方法即使使用單層石墨烯做電極來制備單分子結(jié)，其成功率也較低，消耗了大量的人力、物力和財力，而且結(jié)果不一定能實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)機械可控納米間隙的的單層石墨烯單分子結(jié)。通過精確地控制電極間距離來高效地連接單分子，最終實現(xiàn)高產(chǎn)量地制備單層石墨烯單分子結(jié)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種機械可控納米間隙的單層石墨烯單分子結(jié)制備方法，由彈性銅片、二氧化硅絕緣層、單層石墨烯、金覆蓋層、三點彎曲裝置組成，其特征在于：彈性銅片可用于生長二氧化硅絕緣層，能夠重復彎曲；絕緣層用于絕緣上下兩層薄膜，以及平整表面；金覆蓋層可用于固定單層石墨烯，使單層石墨烯電極能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的彎曲；絕緣層中間部分有一個凹槽，可提供懸空的納米橋；三點彎曲裝置可用于彎曲芯片，精確控制納米間隙大小。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

利用一系列的微納加工工藝把單層石墨烯固定在金覆蓋層和二氧化硅絕緣層中，制作成可彎曲的芯片。機械可控三點彎曲裝置具有較小的衰減因子，可以在皮米精度上調(diào)控納米間隙，通過精確控制納米間隙，使分子能高效地連接到電極兩端，最終實現(xiàn)高產(chǎn)量制作的單層石墨烯單分子結(jié)；制作成的單層石墨烯單分子結(jié)相對于金屬單分子結(jié)來說，展現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性和導電性。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

圖1為銅箔(1)示意圖；

圖2為在圖1基礎(chǔ)上，生長單層石墨烯(2)；

圖3為在圖2基礎(chǔ)上，將單層石墨烯用覆涂一層約2μm厚的pmma(3)；

圖4為在圖3基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)移至銅(5)/二氧化硅(4)基底上；

圖5為在圖4基礎(chǔ)上，通過對單層石墨烯上覆涂的pmma進行電子束曝光、顯影、去膠，形成電極形狀(6)；

圖6為在圖5基礎(chǔ)上，以及氧離子刻蝕技術(shù)將二氧化硅基板上的單層石墨烯刻蝕成電極形狀(7)；

圖7為在圖6基礎(chǔ)上，利用反應離子刻蝕技術(shù)，在二氧化硅絕緣層上刻蝕出凹槽(8)；

圖8為在圖7基礎(chǔ)上，去除電極上的pmma(7)；

圖9為在圖8基礎(chǔ)上，覆涂光刻膠，厚度約2μm，通過曝光、顯影、去膠，保護單層石墨烯電極(9)；

圖10為在圖9基礎(chǔ)上，在其正上方蒸鍍一層金層(10)，其厚度約為1μm，將芯片完全覆蓋；

圖11為在圖12的基礎(chǔ)上，去除電極處的光刻膠(9)，其上的金層(10)隨之去除；

圖12為把制作成的單層石墨烯芯片置于三點彎曲裝置上；

圖13為三點彎曲裝置彎曲單層石墨烯芯片至斷裂，形成單層石墨烯單分子結(jié)(11)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作詳細說明。

以長44mm、寬12mm、厚50μm左右的銅箔(1)作為基底，利用cvd法生長，單層石墨烯(2)；在銅片(5)上制備sio2(4)涂層：在氟硅酸溶液(wt.29％)中加入一定量硅酸(sio2·xh2o)，常溫下恒溫磁力攪拌，得到sio2飽和的氟硅酸溶液；取一定體積的飽和溶液，加入去離子水，30℃下恒溫磁力攪拌一段時間，配置一定氟硅酸濃度的sio2超飽和溶液，即獲得制備sio2薄膜的生長液；將清洗干凈的紫銅基底放入燒杯中。一定時間后取出樣片，使用風機吹干后，放置干燥器中24h，待試樣完全干燥，放入氮氣保護馬弗爐中進行熱處理，就制得sio2絕緣層(4)，厚度約為1μm；將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到sio2/cu基底上：將銅箔的一面用等離子體處理，將上面生長的石墨烯清除干凈，便于后期腐蝕銅箔。再將銅箔的另一面旋轉(zhuǎn)涂覆上一層電子束曝光膠(3)，即聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，烘干后，將銅箔放在fecl3/hcl腐蝕液面上，半小時后，銅全部腐蝕完后，用干凈的玻璃片將石墨烯/pmma轉(zhuǎn)移到蒸餾水中，放置2個小時清洗表面的雜質(zhì)，然后再轉(zhuǎn)移到制備好的sio2/cu基底上。為了使得石墨烯更好的貼合sio2，先將sio2/cu襯底用氧等離子體清洗，去除表面雜質(zhì)；接著，將石墨烯/pmma和基底表面之間接觸，在約100℃的氣體下在熱板上加熱基底2分鐘；利用電子束曝光技術(shù)，將pmma刻蝕成電極形狀(6)，顯影，定影。再利用氧離子刻蝕技術(shù)，將石墨烯刻蝕成電極形狀(7)；利用反應離子束刻蝕將電極下方的sio2層刻蝕出凹槽(8)，便于將單層石墨烯電極崩斷，并去除電極上的電子束曝光膠(6)；覆涂光刻膠，厚度約2μm，通過曝光、顯影、去膠，保護單層石墨烯電極(9)；使用電子束蒸鍍儀在其正上方蒸鍍一層金層(10)，其厚度約為1μm，將芯片完全覆蓋，此層將單層石墨烯固定在基底上；去除光刻膠，光刻膠上的金層也隨之去除，石墨烯電極也暴露出來；使用機械控制精度為皮米級別的三點彎曲裝置，不斷彎曲芯片，直至單層石墨烯斷裂，形成納米間隙；把有機分子置于間隙里，使用三點彎曲裝置調(diào)控間隙大小，使間隙大小與連接分子的長度高度匹配，分子與單層石墨烯通過酰胺共價鍵穩(wěn)固連接。形成單層石墨烯單分子結(jié)(11)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種可精密控制納米間隙的單層石墨烯電極的方法，以及構(gòu)建以石墨烯為電極的單分子結(jié)的技術(shù)和工藝流程。本發(fā)明是利用單層薄膜制備工藝、微納加工相關(guān)技術(shù)和機械可控裂結(jié)技術(shù)實現(xiàn)的。通過將制備的單層石墨烯芯片置于機械可控三點彎曲裝置上，連續(xù)彎曲基板使得單層石墨烯斷裂，形成可控納米間隙的單層石墨烯電極對。最后通過利用酰胺共價鍵在間隙間連接有機分子來形成單層石墨烯單分子結(jié)。由于該方法可在皮米級別精確調(diào)控納米間隙的大小來匹配分子長度，因此可以實現(xiàn)單層石墨烯單分子結(jié)的高效量產(chǎn)。而且單層石墨烯性質(zhì)穩(wěn)定，提高了單分子結(jié)器件的穩(wěn)定性，為分子器件的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，在分子電子學的發(fā)展方面具有較大意義。

技術(shù)研發(fā)人員：向東;倪立發(fā);張偉強;郭晨陽;王璐;王玲;趙智凱;張?zhí)?br/>受保護的技術(shù)使用者：南開大學
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.13
技術(shù)公布日：2017.10.20