專利名稱：采用電誘導(dǎo)生長技術(shù)制作有機(jī)導(dǎo)線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和有機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用電誘導(dǎo)生長技術(shù)和探針牽引技術(shù)來制作有機(jī)導(dǎo)線的方法。
背景技術(shù)：
分子電子器件和全有機(jī)集成電路的發(fā)展需要有與之相適應(yīng)的有機(jī)導(dǎo)電布線(Conducting Interconnects)用于連接各個功能元器件。國際上已用印刷技術(shù)研制出有機(jī)導(dǎo)線，并研制了可編程編碼的發(fā)生器[1]，但是要提高集成度還有許多工作要做。([1]C.J.Drury，et al..Low-cost All-polymer Integrated Circuits.Appl.Phys.Lett.1998，73(1)108-110)自從掃描隧道顯微鏡(STM)發(fā)明以后，STM已被廣泛用于表面成像和表面加工，包括信息存貯[2]和表面聚合[3]等。STM技術(shù)還可以用于研制有機(jī)導(dǎo)線，比如把有機(jī)電雙穩(wěn)薄膜從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)來制作納米導(dǎo)線[4]，或者誘導(dǎo)二乙炔衍生物聚合來制作共軛聚合物納米線[5]。但是，利用STM電場來制作有機(jī)導(dǎo)線還有一些實(shí)際問題亟待解決，比如用電場誘導(dǎo)電雙穩(wěn)材料轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)，看起來連續(xù)的導(dǎo)線實(shí)際上會有不明顯的斷點(diǎn)存在，不能保證導(dǎo)線都連續(xù)。此外，用STM技術(shù)制作納米聚合物導(dǎo)線，通常需要一個導(dǎo)電基底，制得的有機(jī)導(dǎo)線很容易和基底連通，導(dǎo)線的長度也受到限制。這說明目前的導(dǎo)線制作方法存在局限性，還需要在加工方法和制作技術(shù)方面取得進(jìn)一步的發(fā)展。([2]K.Takimoto，et al.，Switching and Memory Phenomena in Langmuir-Biodgett Films with ScanningTunneling Microscope.Appl.Phys.Lett.，1992，61(25)3032-3034；[3]華中一，徐偉，發(fā)明專利ZL95111660.6；[4]華中一，發(fā)明專利ZL96116467.0；[5]Y.Okawa，M.Aono，Nanoscale control of chain polymerization，Nature，2001，409683.)有機(jī)導(dǎo)線主要是用來傳導(dǎo)電流的，能否有效地傳輸電流是有機(jī)導(dǎo)線性能好壞的主要標(biāo)志。1999年，Kumai等人還發(fā)現(xiàn)電流可以誘導(dǎo)有機(jī)絡(luò)合物從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)(即導(dǎo)電態(tài))[6]。這種用電流誘導(dǎo)的方法還可以進(jìn)一步發(fā)展成一種制作有機(jī)導(dǎo)線的方法，并有很高的可靠性。([6]R.Kumai，et al..Current-Induced Insulator-Metal Transition andPattern Formation in an Organic Charge-Transfer Complex.Science，1999，2841645)在本發(fā)明中，我們將電場誘導(dǎo)方法和電流誘導(dǎo)方法綜合起來使用，發(fā)展成一種電誘導(dǎo)生長方法。采用電絕緣的平整基板作為基底，在絕緣的基板上制作有機(jī)薄膜，采用電誘導(dǎo)技術(shù)(包括電場誘導(dǎo)和電流誘導(dǎo))和探針牽引技術(shù)在有機(jī)薄膜上生長有機(jī)導(dǎo)線。
本發(fā)明提出有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，基于電誘導(dǎo)生長技術(shù)和探針牽引技術(shù)。其原理是利用探針頂端的強(qiáng)電場以及通過的電流來誘導(dǎo)有機(jī)薄膜從絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體，電場誘導(dǎo)效應(yīng)和電流誘導(dǎo)效應(yīng)同時起作用。作用機(jī)制是讓有機(jī)電雙穩(wěn)材料從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)，或者讓有機(jī)分子聚合成導(dǎo)電聚合物，這兩種轉(zhuǎn)變統(tǒng)稱為絕緣體到導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。通過牽引探針在水平方向移動，使更多的絕緣薄膜轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電薄膜，并形成線狀導(dǎo)體，即有機(jī)導(dǎo)線。有機(jī)導(dǎo)線隨著探針的移動而生長，導(dǎo)線的形狀可以是直線、曲線、折線以及各種圖形，取決于探針的移動路線。本發(fā)明的具體方法如下以有機(jī)薄膜為工作基質(zhì)，有機(jī)薄膜的基底采用電絕緣的平整基板，基板上設(shè)有輔助電極，輔助電極和薄膜上方的探針分別同外電源連接；將探針和有機(jī)薄膜調(diào)到適當(dāng)?shù)木嚯x，利用探針頂端附近的強(qiáng)電場和流過的電流來誘導(dǎo)有機(jī)薄膜從絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體，通過移動探針來誘導(dǎo)有機(jī)導(dǎo)線的生長。
本發(fā)明中，有機(jī)薄膜的制作過程見示意

圖1。其中，基底采用電絕緣的平整基板，基底上表面的一端制作金屬膜做輔助電極，在絕緣基底和輔助電極上面制作有機(jī)薄膜。有機(jī)薄膜的厚度通常小于100納米，也可以是很薄的薄膜，比如單分子層或幾個分子層厚度。薄膜材料采用有機(jī)電雙穩(wěn)材料，也可以采用能聚合成導(dǎo)電聚合物的有機(jī)單體和有機(jī)分子。輔助電極和探針與外加電源的兩極連接。
本發(fā)明中，制作有機(jī)導(dǎo)線的操作步驟如下將探針置于輔助電極的正上方，見圖2(a)。采用人工或者計(jì)算機(jī)自動操縱方法，讓探針和有機(jī)薄膜盡可能靠近，比如隧道距離，見圖2(b)。此時探針和輔助電極之間的強(qiáng)電場和流過的隧道電流使兩者之間的有機(jī)薄膜轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)。然后，讓探針?biāo)揭苿?或者探針不動，基底移動)，這樣針尖掃過的區(qū)域在外加電場和電流的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)，即誘導(dǎo)導(dǎo)線水平生長，見圖2(c)。生長出來的一段有機(jī)導(dǎo)線相當(dāng)于輔助電極在延伸。繼續(xù)移動探針，有機(jī)導(dǎo)線可以在原有的基礎(chǔ)上繼續(xù)生長，見圖2(d)。這一過程可以繼續(xù)下去，按照這種方法就可以生長設(shè)定長度的有機(jī)導(dǎo)線。
本發(fā)明提出制作有機(jī)導(dǎo)線可以依靠掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)和原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)進(jìn)行工作。探針和有機(jī)薄膜的距離可以處于STM工作時的隧道距離，也可以采用AFM工作時的距離。探針和電極之間的外加電壓一般不超過20伏，通常的工作電壓為0.5～10伏。此時，可制作納米寬度的有機(jī)導(dǎo)線。
本發(fā)明提出的有機(jī)導(dǎo)線制作方法還可以實(shí)時監(jiān)測有機(jī)導(dǎo)線的連續(xù)性和導(dǎo)電能力。在制作有機(jī)導(dǎo)線時可以立即知道有機(jī)導(dǎo)線是否有間斷，比如在移動針尖的過程中，如果在某處檢測不到隧道電流，就可以提示此處的有機(jī)導(dǎo)線有斷點(diǎn)，說明絕緣體到導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變不充分或者是由于針尖移動速度過快。解決的辦法是讓探針退后一段距離再重新制作導(dǎo)線，此時可以注意改變工藝條件，包括改變外加電壓值、探針和基底的距離以及探針的移動速度等。在完成有機(jī)導(dǎo)線制作后，讓探針和有機(jī)導(dǎo)線接觸，構(gòu)成電流回路，這樣就可以直接測量導(dǎo)線的導(dǎo)電能力以及電特性數(shù)據(jù)等，見圖3。
本發(fā)明提出用于制作有機(jī)導(dǎo)線的材料有二種類型。第一類是有機(jī)電雙穩(wěn)材料，包括單一有機(jī)電雙穩(wěn)分子材料、電雙穩(wěn)絡(luò)合物材料以及電雙穩(wěn)大分子材料，這類電雙穩(wěn)材料轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)后要求不能返回到絕緣態(tài)，即要求絕緣態(tài)到導(dǎo)電態(tài)的轉(zhuǎn)變是不可逆的。第二類是能夠聚合成導(dǎo)電聚合物的有機(jī)單體或者有機(jī)分子材料，比如乙炔類單體、二乙炔類單體、苯胺、噻吩、吡咯以及它們的衍生物。
本發(fā)明還提出在實(shí)際制作有機(jī)導(dǎo)線時，可以采用多個探針同時進(jìn)行加工制作，制作方法和工藝與前述相同。通過驅(qū)動多個探針，能夠同時制作多根有機(jī)導(dǎo)線，這樣可以節(jié)省加工時間?？紤]到多根針尖之間的距離較大，制得的有機(jī)導(dǎo)線間隔也較大?？梢圆捎孟率鲛k法解決在完成一次制作后，讓多探針裝置在與導(dǎo)線垂直的方向平移一定距離(距離大小可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定)，再繼續(xù)加工，通過這種方式可以制作間距很小的平行有機(jī)導(dǎo)線簇。圖4以三個探針為例，來說明這種加工過程。通過驅(qū)動三個探針沿水平方向移動，可以同時制作3根平行的導(dǎo)線，見圖4(a)；然后，讓三探針裝置在與導(dǎo)線垂直的方向平移一定距離，再繼續(xù)加工，又可以制得3根導(dǎo)線，總計(jì)6根平行導(dǎo)線，見圖4(b)；如果三探針裝置按折線路徑移動，還可以得到3根折線形的導(dǎo)線，見圖4(c)。
采用前述方法制得有機(jī)導(dǎo)線后，可以根據(jù)實(shí)際需要，將原先的金屬輔助電極除去，也可以繼續(xù)保留。在本發(fā)明中，由于基板是電絕緣的，因此制得的有機(jī)導(dǎo)線不會通過基底互相連通。由于采用了電流誘導(dǎo)技術(shù)，因此還可以實(shí)時地確定有機(jī)導(dǎo)線是否連續(xù)，有機(jī)導(dǎo)線的可靠性好。本發(fā)明可以制作多種尺度的有機(jī)導(dǎo)線和導(dǎo)電圖形，還可以實(shí)時地測量它們的電特性數(shù)據(jù)。其中納米尺度的有機(jī)導(dǎo)線可以作為分子電子器件和有機(jī)集成電路中的連線和布線，具有重要應(yīng)用價(jià)值。
圖1為薄膜器件的制作過程和基本結(jié)構(gòu)圖2為制作有機(jī)導(dǎo)線的工藝流程3為有機(jī)導(dǎo)線的電特性測量4為用三探針裝置同時制作有機(jī)導(dǎo)線的示意中標(biāo)號1為絕緣基底，2為有機(jī)薄膜，3為輔助電極，4為探針，5為外接電路，6為有機(jī)導(dǎo)線，7為電流表，8為串聯(lián)電阻。
探針材料采用Pt-Ir合金絲、鎢絲或者碳納米管之一種；金屬輔助電極采用Ag、Au、Cu等之一種；有機(jī)薄膜的材料可以采用以下材料之一種，包括(1)電雙穩(wěn)材料(單一有機(jī)電雙穩(wěn)分子、電雙穩(wěn)有機(jī)絡(luò)合物、電雙穩(wěn)大分子等)，具體可采用MC-TCNQ、BBDN-TCNQ、PAR、SCN等。
(2)有機(jī)單體分子，比如苯胺、噻吩、吡咯、乙炔類單體、二乙炔類單體以及他們的衍生物。
權(quán)利要求
1.一種高可靠性有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，采用電誘導(dǎo)技術(shù)和探針牽引技術(shù)來誘導(dǎo)有機(jī)導(dǎo)線的生長，其特征在于以有機(jī)薄膜為工作基質(zhì)，有機(jī)薄膜的基底采用電絕緣的平整基板，基板上設(shè)有輔助電極，輔助電極和薄膜上方的探針分別同外電源連接；將探針和有機(jī)薄膜調(diào)到適當(dāng)?shù)木嚯x，利用探針頂端附近的強(qiáng)電場和流過的電流來誘導(dǎo)有機(jī)薄膜從絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體，通過移動探針來誘導(dǎo)有機(jī)導(dǎo)線的生長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于有機(jī)薄膜厚度小于100納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于有機(jī)薄膜為單分子層或幾個分子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于探針和有機(jī)薄膜的距離可采用處于STM工作時的隧道距離，或者采用AFM工作時的距離，探針和電極之間的外加電壓小于20伏。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4之一所述的有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于有機(jī)薄膜材料采用電雙穩(wěn)材料，這種電雙穩(wěn)材料在電場和電流的作用下能夠從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)電態(tài)，包括單一有機(jī)電雙穩(wěn)分子、電雙穩(wěn)有機(jī)絡(luò)合物、電雙穩(wěn)大分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～4之一所述的有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于有機(jī)薄膜材料采用能夠聚合成導(dǎo)電聚合物的有機(jī)單體分子，具體為苯胺、噻吩、吡咯、乙炔類單體、二乙炔類單體以及它們的衍生物之一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于通過測量電路中的隧道電流實(shí)時地監(jiān)測有機(jī)導(dǎo)線的連續(xù)性，還可以直接測量有機(jī)導(dǎo)線的導(dǎo)電能力和電特性數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機(jī)導(dǎo)線的制作方法，其特征在于通過同時驅(qū)動多個探針來制作多根有機(jī)導(dǎo)線，提高導(dǎo)線的制作速度。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和有機(jī)集成電路技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種用電誘導(dǎo)生長技術(shù)和探針牽引技術(shù)來制作有機(jī)導(dǎo)線的方法。工作基質(zhì)采用有機(jī)電雙穩(wěn)材料,或者采用能夠聚合成導(dǎo)電聚合物的有機(jī)單體和分子材料。利用探針頂端的強(qiáng)電場和通過的電流誘導(dǎo)有機(jī)薄膜從絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體,并通過牽引探針在水平方向移動來實(shí)現(xiàn)有機(jī)導(dǎo)線的生長。本發(fā)明能夠解決導(dǎo)線的連續(xù)性問題,還可以實(shí)時地測量導(dǎo)線的電特性。使用本發(fā)明可以制作多種尺度的有機(jī)導(dǎo)線和導(dǎo)電圖形,其中納米尺度的有機(jī)導(dǎo)線可作為分子電子器件和有機(jī)集成電路中的導(dǎo)電連線和布線,有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號H01B13/00GK1363936SQ0211077
公開日2002年8月14日 申請日期2002年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月5日
發(fā)明者徐偉, 華中一 申請人:復(fù)旦大學(xué)