[发明专利]利用双材料微悬臂实现连续变化纳米间隙的芯片及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种构筑连续变化纳米间隙电极的芯片，具体涉及分子电子学、微纳电子等技术领域。

背景技术

研制分子器件的关键在于将分子连接在两电极之间，换言之，发展纳米间隙技术，获得纳米电极是分子器件研制的关键技术。到目前，已有许多方法可以在纳米电极之间连接单个分子或原子，形成纳米间隙，构建单分子结。常见的方法有：纳米孔形成法、原子表面扩散沉积法、分子晶体光刻法、液态金属电极法、十字交叉线构建法、电迁移形成纳米间隙法、电化学沉积法、机械可控纳米断裂结法以及扫描电子显微镜法等。这些方法在可集成封装、间隙连续变化或重复可逆性等方面有很大的限制。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的集成封装、连续、重复逆向等方面的问题，提供了一种可以实现纳米间隙连续变化的芯片,利用双材料微悬臂受热膨胀弯曲的特性，制造一种高精度、连续可逆变化纳米电极间隙的芯片。

为了解决技术背景中的问题，本发明提出了利用电磁辐射改变温度场，温度的改变使得双材料微悬臂弯曲，进而增大或缩小两电极之间的纳米间隙。这种芯片无需外加马达驱动，并且可以设计为阵列的形式，在可集成封装上有较大的优势；另外，双材料随温度膨胀弯曲是连续变化的，故而纳米间隙的大小也是随着温度连续变化的，在间隙连续变化上也有一定的优势；纳米间隙随温度的变化正向增大或反向减小，这种正反过程是可重复的，故这种芯片是可重复利用的，为其工业市场化提供了一定的优势。

本发明采用的技术方案是：

一种利用双材料微悬臂实现连续变化纳米间隙的芯片，该芯片依次包括二氧化硅基底1、绝缘层5、左侧金薄膜层3、右侧金薄膜层8，氮化硅薄膜层6和纳米间隙10；所述二氧化硅基底1，用于作为衬底和牺牲层，在其上形成各种薄膜，最后被刻蚀形成凹陷结构；所述左侧金薄膜层3和右侧金薄膜层8分别位于左侧二氧化硅基底1上和右侧氮化硅薄膜层6上，分别用于担当两侧的电极；所述绝缘层5位于右侧二氧化硅基底1上和氮化硅薄膜层(6)下，用于隔离两侧的电极，并使两侧的电极之间形成纳米间隙10；所述氮化硅薄膜层6位于右侧绝缘层5上，与右侧金薄膜层8形成右侧双材料微悬臂电极，并响应温度造成纳米间隙10大小变化；所述纳米间隙10，用于构筑分子结。

所述氮化硅薄膜层6与右侧金薄膜层8形成双材料微悬臂电极，可随温度发生形变，其中，氮化硅的热膨胀系数为2.3*10^-6，金的热膨胀系数为14.2*10^-6，可见，金的热膨胀系数大于氮化硅的热膨胀系数，电磁辐射作用引起温度变化时，热膨胀系数大的材料膨胀程度大，故微悬臂会向热膨胀系数小的氮化硅薄膜层6一方发生弯曲，使得两电极间的纳米间隙发生微小连续变化，这种变化是可逆的，可以通过升高温度减小纳米间隙，也可以通过降低温度增加纳米间隙。

本发明所述芯片的制备方法，包括如下步骤：

第1、在80-100微米厚度的二氧化硅基底1上涂覆一层光刻胶2；

第2、经紫外光曝光显影形成刻蚀窗图形，然后用等离子刻蚀法刻蚀，在二氧化硅基底1上左侧刻蚀出相对于基底一半的刻蚀窗；

第3、用电子束蒸镀仪同时蒸镀左侧二氧化硅基底1上的左侧金薄膜层3和右侧光刻胶2上的金薄膜层4；

第4、揭去光刻胶2，其上的金薄膜层4会连带地被揭去；

第5、通过原子层沉积形成厚度相当于一个原子尺寸的氧化铝薄膜绝缘层5；

第6、在绝缘层5上涂覆一层光刻胶2；

第7、用电子束刻写的方法刻蚀光刻胶2，形成一端窄一端宽的电极形状；

第8、使用低压气相化学沉积或等离子增强化学沉积的方法同时沉积氮化硅薄膜层6和氮化硅薄膜层7；

第9、用电子束蒸镀仪同时蒸镀右侧金薄膜层8和金薄膜层9；

第10、揭去光刻胶2，其上的金薄膜层9和氮化硅薄膜层7会连带地被揭去，剩下的右侧金薄膜层8和氮化硅薄膜层6形成双材料的电极；

第11、缓冲氧化物刻蚀法刻蚀绝缘层5，用H₃PO₄缓冲液刻蚀氧化铝薄膜，形成纳米间隙10；

第12、缓冲氧化物刻蚀法刻蚀二氧化硅基底1，用HF缓冲溶液刻蚀基底，使电极底呈现镂空的状态，形成微悬臂。

所述纳米间隙10不是由电子束刻蚀电极形状产生，而是通过刻蚀绝缘层5产生，原子层沉积形成厚度相当于一个原子尺寸的氧化铝薄膜绝缘层5，在后续步骤中被刻蚀，留下原子尺寸的纳米间隙10。