Grafenbaseret teknik skaber de mindste huller i nanostrukturer

En ny procedure vil gøre det muligt for forskere at fremstille mindre, hurtigere, og mere kraftfulde nanoskalaenheder ─ og gør det med molekylær kontrol og præcision. Ved at bruge et enkelt lag af kulstofatomer, eller grafen, nanoingeniører ved University of California, San Diego har opfundet en ny måde at fremstille nanostrukturer på, der indeholder veldefinerede, huller i atomstørrelse. Resultaterne fra UC San Diego Jacobs School of Engineering blev offentliggjort i januarudgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver .

Strukturer med disse veldefinerede, huller i atomstørrelse kan bruges til at opdage enkelte molekyler forbundet med visse sygdomme og kan en dag føre til mikroprocessorer, der er 100 gange mindre end dem i nutidens computere.

Evnen til at generere ekstremt små huller - kendt som nanogaps - er yderst ønskelig ved fremstilling af nanoskala strukturer, som typisk bruges som komponenter i optiske og elektroniske enheder. Ved at mindske afstanden mellem elektroniske kredsløb på en mikrochip, for eksempel, man kan passe flere kredsløb på den samme chip for at producere en enhed med større computerkraft.

Et team af ph.d. studerende og bachelor-forskere ledet af UC San Diego nanoingeniørprofessor Darren Lipomi demonstrerede, at nøglen til at generere en mindre nanogap mellem to nanostrukturer involverer at bruge en grafen spacer, som kan ætses væk for at skabe hullet.

Grafen er det tyndeste materiale, man kender:det er simpelthen et enkelt lag af kulstofatomer og måler cirka 0,3 nanometer (nm), hvilket er omkring 100, 000 gange tyndere end et menneskehår. Teknikken udviklet af Lipomis team overvinder nogle af begrænsningerne ved standardfremstillingsmetoder, såsom fotolitografi og elektronstrålelitografi. Til sammenligning, de mindste nanogaps, der kan genereres ved hjælp af standardmetoderne, er 10‒20 nm brede.

"At lave en nanogap er interessant fra et filosofisk synspunkt, "sagde Lipomi." Mens de fleste bestræbelser inden for nanoteknologi fokuserer på at lave materialer, vi har stort set ikke lavet noget – men med kontrollerede dimensioner."

At lave "ingenting"

Metoden til at lave nanogaps begynder med produktionen af ​​tynde film, hvor et enkelt lag grafen er klemt mellem to guldmetalplader. Først, grafen dyrkes på et kobbersubstrat, og derefter lagdelt ovenpå med en plade af guldmetal. Fordi grafen klæber bedre til guld end til kobber, hele grafen-enkeltlaget kan nemt fjernes og forbliver intakt over store områder. Sammenlignet med andre teknikker, der bruges til at fremstille lignende lagdelte strukturer, denne metode gør det muligt at overføre grafen til guldfilm med minimale defekter eller forurening.

"Denne nye metode, som vi udviklede i vores laboratorium, kaldes metal-assisteret eksfoliering. Dette er den eneste måde indtil videre, hvorpå vi kan placere enkeltlagsgrafen mellem to metaller og sikre, at det ikke indeholder rifter, revner, folder, eller uønskede kemiske arter, sagde Alex Zaretski, en kandidatstuderende i Lipomis forskergruppe, der var banebrydende for teknikken og er den første forfatter til undersøgelsen. "Metalassisteret eksfoliering kan potentielt være nyttig for industrier, der bruger store områder med grafen."

Når guld/grafen-kompositten er adskilt fra kobbersubstratet, den nyligt eksponerede side af grafenlaget er klemt sammen med et andet guldark for at producere guld:enkeltlags grafen:guld tyndfilm.

Filmene skæres derefter i 150 nm brede nanostrukturer. Endelig, strukturerne behandles med oxygenplasma for at fjerne grafen. Scanningselektronmikrofotografier af strukturerne afslører ekstremt små nanogab mellem guldlagene.

Nanogap applikationer

En potentiel anvendelse for denne teknologi er i ultrafølsom detektion af enkelte molekyler, især dem, der er karakteristiske for visse sygdomme. Når lyset skinner på strukturer med ekstremt små huller, det elektromagnetiske felt, der er begrænset i mellemrummet, bliver enormt forstærket. Dette forstærkede elektromagnetiske felt, på tur, øger signalet produceret af ethvert molekyle inden for mellemrummet.

"Hvis en eller anden sygdomsmarkør kommer ind og bygger bro mellem nanostrukturerne, du ville observere en ændring i lysspredningen fra nanogap, der ville svare til, om sygdommen var til stede eller ej, " sagde Lipomi.

Mens teknikken rapporteret i denne undersøgelse kan producere nanostrukturer, der er egnede til optiske applikationer, det udviser en stor ulempe for elektroniske applikationer. Raman -spektroskopiske målinger af guld -nanostrukturer afslører, at der stadig er små mængder grafen mellem guldlagene efter behandling med oxygenplasma. Det betyder, at kun den grafen, der er eksponeret nær overfladerne af guldnanostrukturerne, kan fjernes indtil videre. At have grafen stadig i strukturerne er ikke ønskeligt for elektroniske enheder, som kræver et helt mellemrum mellem strukturerne. Teamet arbejder på at finde ud af, hvordan man løser dette problem.

I fremtiden, teamet vil også gerne undersøge måder at variere tykkelsen af ​​det veldefinerede hul mellem strukturerne ved at øge antallet af grafenlag.

"Til optiske applikationer, det ville være ønskeligt at have huller, der er en lille smule større end det, vi har genereret. Vi ville bare vise, i princippet, den mindste spaltestørrelse, der er mulig at opnå, " sagde Lipomi.