專利名稱：磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種納米結(jié)構(gòu)、納米器件的加工技術(shù)，尤其是一種磁場誘導(dǎo)下選擇性化學(xué)沉積制備磁性納米間隙電極的方法，屬于納米器件加工的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米電子器件，其特征尺寸在納米量級(1-100nm)內(nèi)，不再遵循傳統(tǒng)微電子學(xué)的基本運行規(guī)律，而電子的波動性、量子效應(yīng)等將在此類器件中起重要作用，其關(guān)鍵技術(shù)的突破將有望成為新的經(jīng)濟生長點，并將會對人類社會的各個方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。納米加工技術(shù)則是發(fā)展納電子器件的基礎(chǔ)。
納米間隙電極是發(fā)展納電子器件尤其是單電子器件的一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)。采用電子束刻蝕(Appl.Phys.Lett，2002，80(2)865-867)、聚焦離子束刻蝕(Thin Solid Films，2003，438-439374-377)、結(jié)合分子束外延刻蝕(Appl.Phys.Lett.，2002，81(4)730-732)、SPM微探針加工(Nanotechnology，1999，10458-463；Jpn.J.Appl.Phys.，2001，404365-4367；Nano Lett.，2003，3(1)43-45)等方法來加工納米電極需要昂貴的儀器設(shè)備，成本較高，所涉及工藝較難，一時難以普及。結(jié)合“自上而下”與“自下而上”兩種加工技術(shù)路線來構(gòu)造可控納米結(jié)構(gòu)與器件，是當(dāng)前發(fā)展簡便易行的納米加工技術(shù)的一個重要方向，并已經(jīng)在尋求制備納米間隙電極的方法方面進行了有益的嘗試。如化學(xué)鍍法(ZL01113578.6)、電鍍法(NL1019733C；Thin Solid Films，2003，438-439317-321)、電子遷移法(Appl.Phys.Lett.，2002，81(24)4613-4615；中國專利申請?zhí)?00310106004.X)，首先采用“自上而下”刻蝕技術(shù)制備出微米或亞微米間隙電極作為原型電極，然后用化學(xué)、物理的方法在原型電極上沉積金屬，使電極間隙減小到納米量級。其中，電鍍法與化學(xué)鍍法都是通過金屬在電極對上的在線沉積生長來減小其間隙的，但同時也增加了電極的側(cè)向?qū)挾龋译婂兎ㄔ谥苽溥^程中原型電極兩端需要引線以外加電壓，僅適于對具體器件進行個別操作；電子遷移法不僅需要在原型電極兩端引線進行電連接，而且要求原型電極對的間隙不能太大(通常處于準(zhǔn)納米或亞微米尺度，現(xiàn)有技術(shù)都是采用電子束刻蝕法來制備其原型電極結(jié)構(gòu)的)。
磁性納米間隙電極在磁性納米粒子的操縱與有序組裝、生物分子的電磁控制研究、檢測傳感技術(shù)以及電子輸運特性研究等方面具有特殊的應(yīng)用前景，但目前磁性納米間隙電極還非常少見，所涉及的制備方法也僅限于電鍍法和化學(xué)鍍法，相關(guān)應(yīng)用研究方面受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，通過磁性金屬在普通光刻電極上的選擇性沉積與沿著電極對方向的磁場同步誘導(dǎo)取向生長，在不相應(yīng)增加電極的側(cè)向?qū)挾惹闆r下將普通光刻電極對的間隙減小到納米級，實現(xiàn)納米間隙電極的簡便低廉加工。
技術(shù)方案將磁場誘導(dǎo)與選擇性化學(xué)鍍法兩者相結(jié)合，沿著普通光刻電極對(原型電極)的方向上施加一個外磁場，讓磁性金屬在電極/溶液界面的選擇性化學(xué)沉積發(fā)生的瞬間即被磁化，并通過磁場進一步的誘導(dǎo)作用使磁性金屬在電極對尖端處沿著電極對方向上優(yōu)先沉積并取向生長，將電極對間隙從微米級或亞微米級減小到納米級，獲得磁性納米間隙電極。
制備的方法如下首先，用普通光刻工藝制備出微米級或亞微米級間隙的原型電極；在原型電極表面組裝雙功能分子(X-R-Y)、化學(xué)吸附化學(xué)鍍引發(fā)劑，使電極表面具有催化活性；將具有催化活性的原型電極放入磁性金屬或合金的化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，同時沿著原型電極對方向上施加一個外磁場，同步誘導(dǎo)磁性金屬或合金在電極對尖端處優(yōu)先沉積與取向生長，實現(xiàn)電極間隙的減小，最終獲得磁性納米間隙電極。
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電極對結(jié)構(gòu)，電極材料為金屬材料，通常為金、銀、銅、鉑。
雙功能分子X-R-Y，對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)進行分子組裝的官能團，對于金、銀、銅材料的原型電極，優(yōu)選基團為含S(硫)基團，如巰基(-SH)或二硫基(如-S-S-R-Y)或單硫基(如硫醚分子Y-R-S-R-Y中的-S-R-Y)；對于鉑材料的原型電極，優(yōu)選基團為羥基(-OH)或氨基(-NH2)；Y為可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團，通常含有S、N(氮)、P(磷)、O(氧)元素，如氨基、巰基、磷酰基、羧基；R為有機分子骨架，如碳鏈、芳環(huán)，R中允許包含多個含S、N、P、O元素的活性基團。
化學(xué)鍍引發(fā)劑為金屬銀、鈀、鎳、鈷的納米粒子；或是鈀離子、銀離子。
用于減小電極間隙即納米間隙電極的材料是適于化學(xué)鍍的磁性金屬及其合金，如鎳、鈷及其合金材料。
施加的外磁場是外置分立的磁場，磁場方向平行于原型電極對方向(磁力線平行穿過電極對方向)，磁場強度范圍為0.01～2特斯拉。
有益效果1.在基于分子自組裝膜良好定域的選擇性化學(xué)沉積基礎(chǔ)上，結(jié)合外磁場作用，可使電極上一旦有磁性金屬或合金發(fā)生沉積即被瞬時磁化，在電極對間形成磁力線密集區(qū)，從而進一步誘導(dǎo)磁性金屬或合金在磁場梯度最大的電極對尖端處優(yōu)先還原沉積并取向生長，電極對間隙減小的同時不僅可確保不會引起電極側(cè)向?qū)挾鹊南鄳?yīng)增加，而且可在分子水平上改善最終獲得的納米間隙電極的表面結(jié)構(gòu)及尖端形狀；另外，相比于電鍍法或化學(xué)鍍法，本法可以降低金屬鹽等化學(xué)試劑的單位消耗；2.對原型電極的間隙沒有特殊要求，結(jié)合非常普遍的傳統(tǒng)光刻技術(shù)就能加工，間隙達(dá)數(shù)微米甚至十幾微米的原型電極也易于被縮減到納米級間隙結(jié)構(gòu)；3.整個裝置非常簡單，無須昂貴的設(shè)備投入；方法簡單，操作方便，在工藝上極易于實現(xiàn)，具有批量加工潛力。
4.非常方便地選取多種磁性金屬或合金材料來獲得磁性納米間隙結(jié)構(gòu)以滿足特殊的應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，還可方便地通過簡單的化學(xué)沉積方法制備其它非磁性金屬的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如在鎳、鈷納米間隙電極上沉積金、銀等納米級薄層獲得外表面層為金、銀材料的納米間隙電極。
具體實施例方式
實施例1采用普通光刻工藝在硅基材料上加工出具有微米或亞微米級間隙的金或銀或銅電極對，并以此作為原型電極。將該原型電極表面清潔處理后，放入雙功能分子含硫化合物如巰基乙胺或1，6-己二硫醇或二巰基丁二酸或巰基乙酸或NH2-(CH2)n-S-S-(CH2)n-NH2(n＞2)或NH2-(CH2)n-S-(CH2)n-NH2(n＞2)的乙醇溶液中進行分子組裝；將組裝有雙功能分子的上述電極放入膠體銀或鈀離子溶液中進行電極表面活化處理。將上述經(jīng)鈀表面活化的電極分別放入鎳、鈷或磁性合金化學(xué)鍍?nèi)芤褐校瑫r在化學(xué)鍍反應(yīng)器外沿著電極對方向上施加一個外磁場(磁場強度為0.01～2特斯拉)，誘導(dǎo)待鍍金屬在電極對的尖端處優(yōu)先沉積并取向生長，分別得到磁性金屬鎳、鈷或磁性合金材料的納米間隙電極。
實施例2采用普通光刻工藝在硅基材料上加工出具有微米或亞微米間隙的金或銀或銅電極對，并以此作為原型電極。將該原型電極經(jīng)表面清潔處理后放入巰基乙胺的乙醇溶液中進行分子組裝；將組裝有雙功能分子的上述電極放入膠體鎳溶液中進行活化。上述經(jīng)鎳活化的電極放入鎳或鎳合金的化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，同時在沿著電極對方向上施加一個外磁場(磁場強度為0.01～2特斯拉)，誘導(dǎo)磁性鎳金屬或鎳合金在電極對的尖端處優(yōu)先沉積并取向生長，最終分別得到磁性鎳或鎳合金的納米間隙電極結(jié)構(gòu)。
實施例3采用普通光刻工藝在硅基材料上加工出具有微米或亞微米間隙的金或銀或銅電極對，并以此作為原型電極。將該原型電極經(jīng)表面清潔處理后放入巰基乙胺的乙醇溶液中進行分子組裝；將組裝有雙功能分子的上述電極放入膠體鈷溶液中進行活化。上述經(jīng)鈷活化的電極分別放入鈷或鈷合金的化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，同時在沿著電極對方向上施加一個外磁場(磁場強度為0.01～2特斯拉)，誘導(dǎo)磁性鈷或鈷合金在電極對的尖端處優(yōu)先沉積并取向生長，分別得到磁性鈷或鈷合金的納米間隙電極結(jié)構(gòu)。
實施例4采用普通光刻工藝在硅基材料上加工出具有微米或亞微米級間隙的鉑電極對，并以此作為原型電極。將該鉑原型電極表面清潔處理后，放入羥基羧酸或羥基膦羧酸或氨基膦羧酸的乙醇溶液中進行分子組裝；將組裝有功能分子的鉑電極放入膠體鈀或銀離子溶液中進行電極表面活化處理。將上述經(jīng)表面活化的鉑電極分別放入化學(xué)鍍鎳或化學(xué)鍍鈷或化學(xué)鍍磁性合金溶液中，同時在化學(xué)鍍反應(yīng)器外沿著電極對方向上施加一個外磁場(磁場強度為0.01～2特斯拉)，誘導(dǎo)鎳或鈷或磁性合金在電極對的尖端處優(yōu)先沉積并取向生長，得到磁性金屬鎳或金屬鈷或磁性合金材料的納米間隙電極結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于該方法將選擇性化學(xué)沉積與磁場誘導(dǎo)相結(jié)合，沿著電極對的方向施加一個外磁場，通過金屬在普通光刻電極上的選擇性沉積與沿著電極對方向的磁場同步誘導(dǎo)取向生長，在不相應(yīng)增加電極的側(cè)向?qū)挾惹闆r下將普通光刻電極對的間隙減小到納米級，加工出磁性納米間隙電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于制備的工藝如下a、用普通光刻工藝制備出微米級或亞微米級間隙的原型電極對；b、在原型電極對表面組裝雙功能分子“X-R-Y”、化學(xué)吸附化學(xué)鍍引發(fā)劑，使電極對表面具有催化活性；c、將具有催化活性的原型電極對放入化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，同時沿著原型電極對的方向上施加一個外磁場，同步誘導(dǎo)金屬在電極對尖端處優(yōu)先沉積與取向生長，從而實現(xiàn)電極間隙的減小，獲得磁性納米間隙電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于原型電極對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電極結(jié)構(gòu)，電極材料為金屬材料，通常為金、銀、銅、鉑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于雙功能分子“X-R-Y”對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)進行分子組裝的官能團，“Y”為可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團，R為有機分子骨架。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于可與原型電極金屬材料自發(fā)進行分子組裝的官能團“X”，對于金、銀、銅材料的原型電極，為含硫基團，如“-SH”或“-S-S-R-Y”或“-S-R-Y”；對于鉑材料的原型電極，“X”基團為“-OH”或“-NH2”。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于可與化學(xué)鍍引發(fā)劑鍵合的活性基團“Y”，為含有S、N、P、O元素的活性基團，如氨基、巰基、磷酰基、羧基。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于有機分子骨架“R”為碳鏈、芳環(huán)，R中同時允許包含多個含S、N、P、O元素的活性基團。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于化學(xué)鍍引發(fā)劑為金屬銀、鈀、鎳、鈷的納米粒子或鈀離子、銀離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于用于減小電極間隙的材料是適于化學(xué)鍍的磁性金屬及其合金，如金屬鎳、鈷及其磁性合金材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁場誘導(dǎo)沉積方法制備磁性納米間隙電極的方法，其特征在于施加的外磁場是外置分立的磁場，磁場方向與原型電極對方向平行，磁場強度范圍為0.01～2特斯拉。
全文摘要
磁場誘導(dǎo)取向沉積方法制備磁性納米間隙電極，涉及一種納米結(jié)構(gòu)、納米器件的加工技術(shù)。該方法通過磁性金屬在普通光刻電極上的選擇性沉積與沿著電極對方向的磁場同步誘導(dǎo)取向生長，在不相應(yīng)增加電極的側(cè)向?qū)挾惹闆r下將普通光刻電極對的間隙小到納米級，實現(xiàn)磁性納米間隙電極的簡便低廉加工。制備的方法如下首先，用普通光刻工藝制備出微米級或亞微米級間隙的原型電極；在原形電極表面組裝雙功能分子、鍵合引發(fā)劑，使電極表面具有催化活性；將具有催化括性的原型電極放入磁性金屬或合金的化學(xué)鍍?nèi)芤褐?，同時沿著原型電極對方向上施加一個外磁場，同步誘導(dǎo)磁性金屬或合金在電極對尖端處優(yōu)先沉積與取向生長，獲得磁性納米間隙電極。
文檔編號H01L21/02GK1631766SQ20041006595
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者徐麗娜, 顧寧, 解勝利, 黃嵐 申請人:東南大學(xué)