Ett nytt förfarande gör det möjligt för forskare att tillverka mindre, snabbare, och kraftfullare nanoskala -enheter - och gör det med molekylär kontroll och precision. Med ett enda lager kolatomer, eller grafen, nanoingenjörer vid University of California, San Diego har uppfunnit ett nytt sätt att tillverka nanostrukturer som innehåller väldefinierade, klyftor i atomstorlek. Resultaten från UC San Diego Jacobs School of Engineering publicerades i januarinumret av tidskriften Nano bokstäver .

Strukturer med dessa väldefinierade, klyftor i atomstorlek kan användas för att upptäcka enstaka molekyler som är associerade med vissa sjukdomar och kan en dag leda till mikroprocessorer som är 100 gånger mindre än de i dagens datorer.

Möjligheten att generera extremt små luckor - kallad nanogaps - är mycket önskvärd vid tillverkning av nanoskala strukturer, som vanligtvis används som komponenter i optiska och elektroniska enheter. Genom att minska avståndet mellan elektroniska kretsar på ett mikrochip, till exempel, man kan passa fler kretsar på samma chip för att producera en enhet med större datorkraft.

Ett team av doktorander studenter och forskare under ledning av UC San Diego nanoengineering professor Darren Lipomi visade att nyckeln till att skapa en mindre nanogap mellan två nanostrukturer innebär att man använder en grafen -distans, som kan etsas bort för att skapa klyftan.

Grafen är det tunnaste materialet man känner till:det är helt enkelt ett enda lager kolatomer och mäter cirka 0,3 nanometer (nm), vilket är cirka 100, 000 gånger tunnare än ett människohår. Tekniken som utvecklats av Lipomis team övervinner några av begränsningarna för vanliga tillverkningsmetoder, såsom fotolitografi och elektronstråle litografi. Som jämförelse, de minsta nanogaps som kan genereras med standardmetoderna är 10‒20 nm breda.

"Att göra en nanogap är intressant ur filosofisk synvinkel, "sa Lipomi." Medan de flesta insatser inom nanoteknik fokuserar på att göra material, Vi har i princip inte gjort något - utan med kontrollerade dimensioner. "

Gör "ingenting"

Metoden för att göra nanogaps börjar med produktion av tunna filmer där ett enda lager grafen är inklämt mellan två guldplåtar. Först, grafen odlas på ett kopparsubstrat, och sedan skiktad ovanpå med en plåt av guldmetall. Eftersom grafen klibbar bättre till guld än koppar, hela ettlagers grafen kan enkelt tas bort och förblir intakt över stora ytor. Jämfört med andra tekniker som används för att producera liknande skiktade strukturer, denna metod gör att grafen kan överföras till guldfilm med minimala defekter eller kontaminering.

"Denna nya metod, som vi utvecklade i vårt labb, kallas metallassisterad peeling. Detta är det enda sättet hittills på vilket vi kan placera ettlagers grafen mellan två metaller och se till att det inte innehåller några sprickor, sprickor, veck, eller oönskade kemiska arter, sa Alex Zaretski, en doktorand i Lipomis forskargrupp som föregick tekniken och är den första författaren till studien. "Metallassisterad peeling kan potentiellt vara användbar för industrier som använder stora delar av grafen."

När guld/grafenkompositen har separerats från kopparsubstratet, den nyblottade sidan av grafenskiktet är inklämt med ett annat guldark för att producera guldet:enskikts grafen:guldtunn film.

Filmerna skivas sedan i 150 nm breda nanostrukturer. Till sist, strukturerna behandlas med syreplasma för att avlägsna grafen. Skanningelektronmikrografier av strukturerna avslöjar extremt små nanogap mellan guldskikten.

Nanogap -applikationer

En potentiell tillämpning för denna teknik är ultrakänslig detektering av enstaka molekyler, särskilt de som är karakteristiska för vissa sjukdomar. När ljuset lyser på strukturer med extremt små luckor, det elektromagnetiska fältet som är begränsat inom gapet blir enormt förbättrat. Detta förbättrade elektromagnetiska fält, i tur och ordning, ökar signalen som produceras av någon molekyl inom gapet.

"Om någon sjukdomsmarkör kommer in och överbryggar klyftan mellan nanostrukturerna, du skulle observera en förändring i ljusspridningen från nanogapet som skulle motsvara om sjukdomen var närvarande eller inte, sa Lipomi.

Även om tekniken som rapporteras i denna studie kan producera nanostrukturer som är lämpliga för optiska applikationer, den uppvisar en stor nackdel för elektroniska applikationer. Ramans spektroskopiska mätningar av guldnanostrukturerna avslöjar att små mängder grafen fortfarande finns kvar mellan guldlagren efter att ha behandlats med syreplasma. Detta innebär att endast den grafen som exponerats nära ytorna på guldnanostrukturerna kan tas bort hittills. Att ha grafen kvar i strukturerna är inte önskvärt för elektroniska enheter, som kräver ett helt gap mellan strukturerna. Teamet arbetar med att ta reda på hur man löser detta problem.

I framtiden, laget skulle också vilja utforska sätt att variera tjockleken på det väldefinierade gapet mellan strukturerna genom att öka antalet grafenlager.

"För optiska applikationer, det skulle vara önskvärt att ha luckor som är lite större än vad vi har genererat. Vi ville bara visa, i princip, den minsta gapstorlek som är möjlig att uppnå, sa Lipomi.