湖南大学段辉高Adv. Funct.Mater.: 跨尺度无粘附金属结构的可靠图案化、转印、后组装及其纳米间隙器件应用

【背景介绍】

金属纳米间隙是等离激元光子学、纳米电子学和纳米光电子学等各种器件的基本结构单元。在任意衬底上可靠定义具有超小间隙和高保真几何形状的金属纳米间隙对器件的实际应用起着关键作用。由于纳米间隙的极小尺寸和几何形貌要求，在大多数情况下，必须采用先进的图案化方法，一般包括电子束光刻（EBL）、金属薄膜沉积和金属剥离三个步骤。然而，基于EBL的方法虽然具有极高的加工自由度和分辨率，但它也面临着一些挑战。一方面，普通的EBL过程非常耗时，并且由于邻近效应，它在定义超小纳米间隙时往往无法实现高分辨。当定义跨尺度结构时，由于需要更长的曝光时间及受到更严重的邻近效应，上述缺点变得更加明显。另一方面，EBL工艺与许多衬底或功能器件加工工艺不兼容。此外，传统金属纳米间隙过程中的湿法工艺可能会在材料表面引入额外的污染物，这可能会降低界面质量，从而降低器件的性能。所有上述挑战都严重阻碍了EBL工艺在许多特定应用中的适用性。尽管研究人员已经做出了许多努力，但在柔性或者绝缘衬底上可靠地制备出~10 nm金属纳米间隙仍然是一个极具挑战性的问题。

作为一种互补性解决方案，转移印刷（转印）允许将预定义的结构从“施体”基板组装到特定的“受体”基板上，因此能够构建传统光刻方法难以实现的结构和器件。转印是一种力学组装工艺，可避免高能辐照损伤和器件制造中使用有机溶剂，从而可形成清洁无缺陷的异质界面。转印可以在几乎所有的固体表面上实现，如弯曲、柔性和可拉伸的衬底，这使得转印技术已成为新兴的柔性可拉伸可穿戴电子和光电子器件制造中的关键技术。更重要的是，力学组装过程还提供了对预定义结构进行后处理的自由度。然而，转印技术在制造金属纳米间隙，特别是在制造具有多尺度特性器件的应用中仍然是一个挑战，尚未得到展示。造成挑战的一个因素是：金属结构的剥离工艺中，由EBL预定义的初始金属结构通常包含粘合层，导致这些结构难以从“施体”基板上分离。因此，在现有的转印过程中，往往需要牺牲层。然而，牺牲层的使用增加了加工工艺的复杂性，导致了与后续转印过程的不兼容。复杂且不兼容的过程不可避免地降低了结构的转印保真度（如成功率和定位精度），这在超小特征尺寸结构的转印中尤其明显，因此亟需创新性的解决方案。

【成果简介】

针对上述问题，最近，湖南大学段辉高教授团队报道了一种跨尺度无粘附金属结构可靠图案化、转印和后组装的方法，并将其用于纳米间隙器件的应用。作者提出了一个克服传统加工缺点的工艺组合，能够在特定衬底上制造尺寸更小的跨尺度金属纳米间隙。该工艺组合结合了该团队近年开发的轮廓加工及干法金属剥离策略及纳米转印、力学后组装等步骤。其中，轮廓加工及干法金属剥离策略提供了快速可靠地定义跨尺度无粘附金属纳米结构和纳米间隙的独特能力，为后续的转印过程提供了便利。为了展示这种加工策略的适用性，作者制作了具有超小纳米间隙的纳米等离激元结构和纳米电子器件。作者认为，该工艺组合还可能在柔性和可拉伸的光学、电子学和光电子学等领域有着潜在的应用前景。相关成果以“Reliable Patterning, Transfer Printing and Post-Assembly of Multiscale Adhesion-Free Metallic Structures for Nanogap Device Applications”发表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

 【图文导读】

 图一、跨尺度金结构的图案化和转印工艺展示

（a）制备步骤的流程图；

（b）类光子筛金微纳结构阵列在施主衬底（i）、PDMS弹性体（ii）和受体基片（iii）上的光学显微照片。电子显微照片呈现了单个光子筛（iv）的概况和最外层的金纳米点（v）的放大细节。

图二、各种具有极小纳米间隙的跨尺度金结构的可靠图案化制作和转印

（a~d）叉指状纳米间隙电极阵列。每个手指的宽度≈100 nm，手指间距≈28 nm，其中的受体衬底为PDMS。

（e~h）用数学曲线切割的微型拼图，其中的受体衬底为石英。

（i~l）周期性微型金蝴蝶结结构，其中单个三角形的边长为1.5 µm，受体衬底为CaF₂。

图三、通过力学后组装制备的亚10 nm金属间隙并用于增强光致发光

（a）加工流程示意图；

（b）实验用单层MoS₂薄片的拉曼光谱；

（c）E¹_2g和A_1g峰的Raman mapping图；

（d）应力释放前后MoS₂片金纳米二聚体的SEM图；

（e）力学后组装纳米二聚体增强的单层MoS₂薄片PL光谱分析。

图四、基于转印的纳米间隙电极的短沟道MoS₂晶体管

（a）制作MoS₂晶体管的流程示意图；

（b）转印的金属纳米间隙电极器件；

（c）单层MoS₂器件在-60～60 v栅电压下的I_ds-V_ds输出曲线；

（d）MoS₂晶体管在不同偏压下的I_ds-V_gs传输曲线：10 mv（绿色）；100 mv（浅绿）；500 mv（深绿色）；1 v（黄色）；

（e）不同源漏偏压下的开关比曲线。

 【小结】

 综上所述，作者提出了一种跨尺度无粘附金属结构的可靠图案化、转印和力学组装方案，并实现了在纳米间隙器件中的应用。作者展示了轮廓加工能够实现无粘附金属结构的可靠制作，可避免牺牲层的使用，从而显著促进转印流程。基于该加工组合的独特优势，作者在弹性体基底上实现了力学驱动的金属结构后组装，使得纳米间隙从最初尺寸120 nm到5 nm的显著收缩。之后，作者通过将轮廓加工定义的跨尺度金电极可靠地后组装到MoS₂二维材料上，实现了具有70 nm短沟道的高性能后组装MoS₂晶体管。作者认为，考虑到金属纳米间隙在纳米等离激元光子学和纳米电子学中的关键作用，这种加工组合策略将在先进器件开发中具有巨大的应用前景。

文献链接：Reliable Patterning, Transfer Printing and Post-Assembly of Multiscale Adhesion-Free Metallic Structures for Nanogap Device Applications（Adv. Funct. Mater. 2020, 2002549）

相关文献：
（1）“Sketch and Peel” lithography for high-resolution multiscale patterning, Nano Letters, 16, 3253-3259 (2016).
（2）Rapid Focused Ion Beam Milling Based Fabrication of Plasmonic Nanoparticles and Assemblies via Sketch and Peel Strategy, ACS Nano 10, 11228-11236 (2016).

本文由我亦是行人编译。

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