湖南大學段輝高Adv. Funct.Mater.: 跨尺度無粘附金屬結構的可靠圖案化、轉印、后組裝及其納米間隙器件應用

【背景介紹】

金屬納米間隙是等離激元光子學、納米電子學和納米光電子學等各種器件的基本結構單元。在任意襯底上可靠定義具有超小間隙和高保真幾何形狀的金屬納米間隙對器件的實際應用起著關鍵作用。由于納米間隙的極小尺寸和幾何形貌要求，在大多數情況下，必須采用先進的圖案化方法，一般包括電子束光刻（EBL）、金屬薄膜沉積和金屬剝離三個步驟。然而，基于EBL的方法雖然具有極高的加工自由度和分辨率，但它也面臨著一些挑戰。一方面，普通的EBL過程非常耗時，并且由于鄰近效應，它在定義超小納米間隙時往往無法實現高分辨。當定義跨尺度結構時，由于需要更長的曝光時間及受到更嚴重的鄰近效應，上述缺點變得更加明顯。另一方面，EBL工藝與許多襯底或功能器件加工工藝不兼容。此外，傳統金屬納米間隙過程中的濕法工藝可能會在材料表面引入額外的污染物，這可能會降低界面質量，從而降低器件的性能。所有上述挑戰都嚴重阻礙了EBL工藝在許多特定應用中的適用性。盡管研究人員已經做出了許多努力，但在柔性或者絕緣襯底上可靠地制備出~10 nm金屬納米間隙仍然是一個極具挑戰性的問題。

作為一種互補性解決方案，轉移印刷（轉印）允許將預定義的結構從“施體”基板組裝到特定的“受體”基板上，因此能夠構建傳統光刻方法難以實現的結構和器件。轉印是一種力學組裝工藝，可避免高能輻照損傷和器件制造中使用有機溶劑，從而可形成清潔無缺陷的異質界面。轉印可以在幾乎所有的固體表面上實現，如彎曲、柔性和可拉伸的襯底，這使得轉印技術已成為新興的柔性可拉伸可穿戴電子和光電子器件制造中的關鍵技術。更重要的是，力學組裝過程還提供了對預定義結構進行后處理的自由度。然而，轉印技術在制造金屬納米間隙，特別是在制造具有多尺度特性器件的應用中仍然是一個挑戰，尚未得到展示。造成挑戰的一個因素是：金屬結構的剝離工藝中，由EBL預定義的初始金屬結構通常包含粘合層，導致這些結構難以從“施體”基板上分離。因此，在現有的轉印過程中，往往需要犧牲層。然而，犧牲層的使用增加了加工工藝的復雜性，導致了與后續轉印過程的不兼容。復雜且不兼容的過程不可避免地降低了結構的轉印保真度（如成功率和定位精度），這在超小特征尺寸結構的轉印中尤其明顯，因此亟需創新性的解決方案。

【成果簡介】

針對上述問題，最近，湖南大學段輝高教授團隊報道了一種跨尺度無粘附金屬結構可靠圖案化、轉印和后組裝的方法，并將其用于納米間隙器件的應用。作者提出了一個克服傳統加工缺點的工藝組合，能夠在特定襯底上制造尺寸更小的跨尺度金屬納米間隙。該工藝組合結合了該團隊近年開發的輪廓加工及干法金屬剝離策略及納米轉印、力學后組裝等步驟。其中，輪廓加工及干法金屬剝離策略提供了快速可靠地定義跨尺度無粘附金屬納米結構和納米間隙的獨特能力，為后續的轉印過程提供了便利。為了展示這種加工策略的適用性，作者制作了具有超小納米間隙的納米等離激元結構和納米電子器件。作者認為，該工藝組合還可能在柔性和可拉伸的光學、電子學和光電子學等領域有著潛在的應用前景。相關成果以“Reliable Patterning, Transfer Printing and Post-Assembly of Multiscale Adhesion-Free Metallic Structures for Nanogap Device Applications”發表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

?【圖文導讀】

?圖一、跨尺度金結構的圖案化和轉印工藝展示

（a）制備步驟的流程圖；

（b）類光子篩金微納結構陣列在施主襯底（i）、PDMS彈性體（ii）和受體基片（iii）上的光學顯微照片。電子顯微照片呈現了單個光子篩（iv）的概況和最外層的金納米點（v）的放大細節。

圖二、各種具有極小納米間隙的跨尺度金結構的可靠圖案化制作和轉印

（a~d）叉指狀納米間隙電極陣列。每個手指的寬度≈100 nm，手指間距≈28 nm，其中的受體襯底為PDMS。

（e~h）用數學曲線切割的微型拼圖，其中的受體襯底為石英。

（i~l）周期性微型金蝴蝶結結構，其中單個三角形的邊長為1.5 μm，受體襯底為CaF₂。

圖三、通過力學后組裝制備的亞10 nm金屬間隙并用于增強光致發光

（a）加工流程示意圖；

（b）實驗用單層MoS₂薄片的拉曼光譜；

（c）E¹_2g和A_1g峰的Raman mapping圖；

（d）應力釋放前后MoS₂片金納米二聚體的SEM圖；

（e）力學后組裝納米二聚體增強的單層MoS₂薄片PL光譜分析。

圖四、基于轉印的納米間隙電極的短溝道MoS₂晶體管

（a）制作MoS₂晶體管的流程示意圖；

（b）轉印的金屬納米間隙電極器件；

（c）單層MoS₂器件在-60～60 v柵電壓下的I_ds-V_ds輸出曲線；

（d）MoS₂晶體管在不同偏壓下的I_ds-V_gs傳輸曲線：10 mv（綠色）；100 mv（淺綠）；500 mv（深綠色）；1 v（黃色）；

（e）不同源漏偏壓下的開關比曲線。

?【小結】

?綜上所述，作者提出了一種跨尺度無粘附金屬結構的可靠圖案化、轉印和力學組裝方案，并實現了在納米間隙器件中的應用。作者展示了輪廓加工能夠實現無粘附金屬結構的可靠制作，可避免犧牲層的使用，從而顯著促進轉印流程。基于該加工組合的獨特優勢，作者在彈性體基底上實現了力學驅動的金屬結構后組裝，使得納米間隙從最初尺寸120 nm到5 nm的顯著收縮。之后，作者通過將輪廓加工定義的跨尺度金電極可靠地后組裝到MoS₂二維材料上，實現了具有70 nm短溝道的高性能后組裝MoS₂晶體管。作者認為，考慮到金屬納米間隙在納米等離激元光子學和納米電子學中的關鍵作用，這種加工組合策略將在先進器件開發中具有巨大的應用前景。

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

相關文獻：
（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).

本文由我亦是行人編譯。

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