本發(fā)明屬于材料科學技術領域，具體涉及一種空氣納米間隙電極的制備方法。

背景技術：

納米器件作為新一代電路元件，具有低能耗、高集成性等特點。但是，電子器件的微型化相對發(fā)展緩慢，這在一定程度上限制了電子工業(yè)的快速發(fā)展。因此，為了在納米尺度甚至分子尺度檢測材料性質，制備納米器件或電路顯得尤為重要^[1]。憑借優(yōu)異的特性和潛力，納米間隙電極充當電子設備的構筑基元已經(jīng)受到廣泛的關注，它們與有機分子或其他納米尺寸組分集成，能夠展現(xiàn)轉換器、晶體管的功能，用于檢測或感應等應用的研究^[2]。

目前，一些制備納米間隙電極結構的方法主要集中在電子束刻蝕^[3]、聚焦離子束刻蝕^[4]、線上刻蝕^[5]等方法。雖然這些方法都有自己的特點，但是對于傳統(tǒng)刻蝕而言，想要以精確可控的方式制備納米間隙電極仍然存在很多挑戰(zhàn)，快速高效地大量制備納米間隙電極是構筑納米器件關鍵步驟。雖然以單分子或組裝單分子層作為電介質層的納米間隙電極已經(jīng)被廣泛的研究，但是由于缺少精確可控的制備方法，對空氣作為絕緣電介質層的納米間隙電極的系統(tǒng)研究很難實現(xiàn)，在很大程度上限制了納米間隙電極作為電子器件的應用。發(fā)展一種簡單快速，高度可控的制備方法，對電子器件的快速發(fā)展具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明解決的問題為：提供一種簡單快速、高度可控的空氣納米間隙電極的制備方法。

為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術方案如下：

一種空氣納米間隙電極的制備方法，步驟如下：

s1：選取單晶硅片作為基底，將單晶硅片進行表面處理以后吹干待用；

s2：取一個聚四氟乙烯掩板，在聚四氟乙烯掩板上開設多個均勻分布的矩形鏤空，將聚四氟乙烯掩板覆蓋在單晶硅片表面，在真空條件下，于聚四氟乙烯掩板的矩形鏤空上進行熱蒸發(fā)沉積金屬金，于單晶硅片表面形成矩形金膜圖案，去掩板，然后通過3~15ml光固化樹脂覆蓋矩形金膜圖案，固化后通過光固化樹脂粘附矩形金膜圖案一并從單晶硅片上脫離；

s3：將上述光固化樹脂粘附的矩形金膜圖案通過步驟s2中的聚四氟乙烯掩板進行二次覆蓋，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形鏤空與矩形金膜圖案的寬度方向存在60~70%的偏移；然后置于真空條件下，在聚四氟乙烯掩板的矩形鏤空上先后熱蒸發(fā)沉積間隔層和金屬金，形成部分交疊的金-間隔層-金的矩形三明治結構圖案；取1~3ml光固化樹脂覆蓋在金-間隔層-金的矩形三明治結構圖案上進行固化；

s4：將步驟s3中的金-間隔層-金的矩形三明治結構圖案逐一進行分離，置于制備樣品模塊的凹槽當中，添加光固化樹脂之后進行固化，形成長方體適合切割的樣品模塊；將該樣品模塊一端圍繞著膜圖案修整成適合金剛石刀寬度的尺寸，并將修整后的樣品模塊固定于超薄納米切片機中，利用2~4mm寬的金剛石刀，以0.6~1.2mm/s的速度垂直膜圖案平面的方向切割樣品模塊為厚度50~400nm的切割薄片，然后收集到目標基底上；

s5：將步驟s4制得的樣品模塊置于反應性離子刻蝕機中進行刻蝕以除去光固化樹脂基體以及間隔層，在基底上得到由兩條毫米長的金納米線部分交疊構成的空氣納米間隙電極。

進一步，所述的步驟s1中單晶硅片的通過丙酮和乙醇沖洗后，然后氮氣吹干，最后置于空氣等離子體清洗機中處理2~4min；或者，單晶硅片利用酸洗液加熱清洗60min，然后利用水、乙醇沖洗，最后氮氣吹干。

進一步，所述的步驟s2中矩形金膜圖案寬為1~3mm、長為2~15mm、厚度為100~200nm，固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min，沉積速率1~5?/s。

進一步，所述的步驟s3中的間隔層為金屬銀或者二氧化硅，所述步驟s5中反應性離子刻蝕機中的刻蝕氣體為氧氣或者四氟化碳；步驟s3中固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min。

進一步，所述的步驟s3中間隔層厚度為2~30nm，金膜厚度為100~200nm。

進一步，所述的步驟s5中刻蝕時間5~20min，刻蝕氣壓為5~10mtorr，刻蝕溫度10~20^oc，刻蝕氣體流速10~50sccm，刻蝕功率為100~200w。

進一步，所述的步驟s2和步驟s4中光固化樹脂為硫醇烯類，所用兩種單體為季戊四醇四-3-巰基丙酸酯和1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1h,3h,5h)-三酮，固化劑為2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；所述的固化劑比例為1wt%；在進行步驟s2之前對單晶硅片進行氟化處理。

進一步，所述的步驟s4中收集切割薄片的目標基底為玻璃片或者石英片平整的絕緣基底；步驟s4中固化條件為在10~100w紫外光下固化1~10min。

進一步，所述的步驟s3保持聚四氟乙烯掩板上的矩形鏤空與矩形金膜圖案的寬度方向存在67%的偏移。

進一步，所述的步驟s3中沉積速率0.1~5?/s。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明的制備方法操作簡單、可控性強、適合大規(guī)模的生產(chǎn)，能夠在短時間制得大量納米電極，并且具備大面積制備的能力。本發(fā)明涉及薄膜制備技術、納米切割技術、掩板/去掩板技術以及刻蝕技術等。兩條超高長徑比納米線由納米尺度空氣層分離構成空氣納米間隙電極，通過改變犧牲間隔層的厚度，可以精確控制間隙尺寸，打破了分子間隙在分子尺度構筑電極的限制。操作過程簡單高效，短時間內(nèi)可以制備大量結構與尺寸完全相同的電極，消除對每個電極都進行電鏡表征所帶來的時間消耗，并且電極的三維尺寸可以被精確的控制。通過對不同尺寸空氣納米間隙電極的電學測試，電流密度與電壓成指數(shù)關系、與間隙寬度成線性關系，說明此電極的電荷傳輸機理是隧道效應。

附圖說明

圖1為制備空氣納米間隙的流程圖。

圖2為空氣納米間隙電極結構示意圖。

圖3為施加0.5v電壓于空氣納米間隙電極所產(chǎn)生電流信號與納米間隙寬度的關系曲線。

其中，單晶硅片-1；聚四氟乙烯掩板-2；矩形金膜圖案-3；光固化樹脂-4；a：納米間隙的寬度；b：空氣納米間隙電極的長度；c：空氣納米間隙電極的寬度；d：空氣納米間隙電極的高度；e：納米間隙的長度。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明。

實施例1：單晶硅片的處理

如圖1所示，選取單晶硅片1作為基底，將單晶硅片1進行表面處理以后吹干待用，具體的，單晶硅片1的通過丙酮和乙醇沖洗后，然后氮氣吹干，最后置于空氣等離子體清洗機中處理2~4min；或者，單晶硅片利用酸洗液加熱清洗60min，然后利用水、乙醇沖洗，最后氮氣吹干。

實施例2：切割用納米電極樣品模塊的制備

如圖1和2所示，于處理過的潔凈單晶硅片1表面固定一個帶有2mm寬、10mm長的矩形孔的聚四氟乙烯掩板2，然后置于真空條件下，以2?/s的速度熱蒸發(fā)沉積金屬金，在聚四氟乙烯掩板2的掩蔽作用下，于硅片表面形成厚度為100nm的納米矩形金膜圖案。取6ml硫醇烯類光固化樹脂4覆蓋矩形金膜圖案，固化劑比例為1wt%，在50w紫外光下固化5min后，光固化樹脂粘附著矩形金膜圖案一并從單晶硅片上脫離并將整張光固化樹脂翻轉，將相同的聚四氟乙烯掩板固定在矩形金膜圖案背面，保持聚四氟乙烯掩板上的矩形孔與金膜圖案在寬度方向存在67%的偏移；然后置于真空條件下，以0.2?/s的速度于金膜圖案表面熱蒸發(fā)沉積間隔層，如金屬銀或者二氧化硅，緊接著以2?/s的速度沉積金屬金，形成部分交疊的金-間隔層-金的三明治結構，間隔層厚度為5nm，金膜厚度為100nm。取2ml光固化樹脂覆蓋矩形三明治結構圖案，在50w紫外光下固化5min；然后將制得的矩形三明治結構圖案逐一分離，置于聚乙烯模具的矩形凹槽當中，添加光固化樹脂之后，在50w紫外光下固化5min，形成長方體樣品模塊。

實施例3：納米切割制備納米電極

利用刀片將長方體樣品模塊圍繞著金膜圖案部分修整成方便切割的梯形體結構模塊，梯形體的上底平面和下底平面與金膜圖案平面平行，并且下底寬度小于金剛石刀的寬度。將修整后的梯形體結構模塊固定于超薄納米切片機的樣品卡盤中，首先利用玻璃刀進行預切割，使得模塊梯形結構端形成光滑的表面，再替換成3mm寬的金剛石刀，以1mm/s的速度以及垂直金膜平面的方向切割模塊成下底2.5mm、上底1.5mm、高1mm、厚100nm的梯形切割薄片。制得的切割薄片收集在玻璃片基底上，烘箱干燥備用。

實施例4：間隔層的刻蝕

將實施例3中制得的切割薄片置于反應性離子刻蝕機中，氧或者四氟化碳反應性離子刻蝕除去間隔層金屬銀，在基底上得到由兩條毫米長的金納米線部分交疊構成的空氣納米間隙電極?？涛g時間10min，刻蝕氣壓為10mtorr，刻蝕溫度20^oc，氧氣流速30sccm，刻蝕功率為200w。

實施例5：納米電極的電學測試

如圖3所示，構成納米電極的兩條超長金納米線末端都留有1mm左右的長度用于電接觸，因此可以在顯微鏡下應用銀膠滴涂于每條金納米線的末端形成接觸墊。電源的兩電極探針附有液態(tài)合金egain，與納米電極兩端的銀膠墊接觸形成回路，0~0.5v循環(huán)電壓施加于陽極和陰極，產(chǎn)生電流信號，電流密度/電壓曲線為s型，電流密度與電壓呈指數(shù)關系，與間隙寬度呈線性關系，說明空氣納米間隙電極的電荷傳輸機理是隧道效應。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。