基于AFM的金属纳米线制备及其电学性能研究
第 1 章 绪论
本课题采用了基于 AFM 的机械刻划技术、金属镀膜技术与剥离工艺（lift-off）相结合的方式，在硅基表面制备金属纳米线。尽管目前已有学者提出利用这种方法制备金属纳米线[12-13]，然而对于如何利用 AFM 与剥离工艺相结合的方式制备出尺寸可控的纳米线尚未被探究。因此，本课题将就如何制备出尺寸在一定范围内可控的金属纳米线进行具体的探究分析。并利用光刻与剥离工艺相结合的方法制备纳米线的外围电路，在此基础上制备金属纳米线，进而对纳米线的电学性能进行测量分析。 利用 AFM 与剥离工艺相结合的方法制备金属纳米线的优势在于，，实验成本较低、效率较高、制备步骤较为简单快捷，且可以制备出位置可控、尺寸可控的多种材质的金属纳米线。
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2.1 引言
由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜具有成本较低、易于制备、耐高温、光学性能优良以及较为稳定的机械刻划的特性，因此被广泛应用于材料机械性能的分析、电子束光刻技术（Electron Beam Lithography, EBL）、扫描探针加工（Scanning Probe Lithography, SPL）、以及刻蚀工艺（Etching）等领域当中。由于 PMMA材质较软且易于溶于丙酮等多种有机溶剂当中，因此本课题将 PMMA 薄膜作为AFM 探针的加工掩膜。本章重点研究了利用 AFM 刻划 PMMA 薄膜时，影响纳米沟槽宽度的因素，且对比分析了理论槽宽与实验加工所得槽宽的差距。目的是利用实验结果对纳米槽宽的理论模型进行修正，从而根据所得的修正结果可以在实验过程中通过选择合适的参数得到理想尺寸的纳米沟槽。这是后续制备尺寸可控纳米线的基础。2.2 聚合物薄膜的制备工艺
本课题中选用了氯苯作为 PMMA 的溶剂，其中 PMMA 分子量为 550,000，旋涂速度为 8000r/min，溶液浓度为 wt1.25%。由于利用移液器向硅基底滴 PMMA 溶液的过程中可能会引入少量空气，这样会导致所制备出的聚合物薄膜表面不均匀，因此在滴溶液后应使溶液在空气中静置 1-2min。旋胶过后，将样品放置于烘干箱中进行固化，烘干温度为 125℃，烘干时间为 30min。固化聚合物薄膜的主要目的是增加聚合物薄膜与硅基表面的结合程度，且去除 PMMA 薄膜表面的残余应力。本课题采用以上步骤制备出的 PMMA 薄膜厚度为 30-50nm 左右。利用 AFM 检测制得的 PMMA 薄膜表面形貌如图 2-2 所示。
第 3 章 基于 AFM 纳米刻划技术的金属纳米线制备 .......... 29
3.1 引言 ............. 293.2 制备金属纳米线................ 29
3.3 制备金属纳米线的外围电路 .............. 36
3.4 本章小结 ......... 41
第 4 章 金属纳米线的电学性能分析 .......... 42
4.1 引言 .............. 42
4.2 实验方法及设备 ................. 42
4.3 实验结果及分析 ........... 44
4.4 叉指型电极的制备 ......... 53
4.5 本章小结 .................... 54
结 论.......... 55
第 4 章 金属纳米线的电学性能分析
4.1 引言
本章主要对不同材质、不同尺寸的金属纳米线电阻进行测量分析。对金属纳米线的电学性能进行测量及分析是其在生物/化学传感器以及微流控等诸多领域中应用的基础。但是由于纳米线尺寸较小，因此要借助纳米线的外围电路并选择合理的方案进行测量纳米线的电学性能。通过分析金属纳米线的电学性能不仅能表征出纳米线材料的性质，而且能反应出一定的量子效应及表面效应。另外，本章展示了利用 AFM 与剥离工艺相结合的方式不仅可以制备出单根的纳米线，而且可以按需要在特定位置制备出尺寸可控的较为复杂的结构，如叉指型电极。4.2 实验方法及设备
如第三章内容所述，由于纳米线自身的尺寸较小，在光镜下不易对其进行定位，更不易直接测量其电学性能.因此在上章中介绍了利用光刻与剥离工艺相结合的方法制备纳米线的外围电路，并在制备出外围电路的基础上制备金属纳米线。利用数字源表可以较为容易地测量尺寸为微米级甚至毫米级别的纳米线外围电路的电阻。 测量微米级结构的电阻时较为常见的测量方案有两种。第一种方法要借助导电银胶，如图 4-1 所示,将导电银胶粘在外围电路上，将数字源表的表笔接在两端的银胶上，从而测量外围电路及其中间的金属纳米线的电阻。利用这种方法可以较为便捷地测量电阻。但是由于导电银胶自身就具有一定的电阻，测量过程中电流噪声对测量结果有较大影响，而且银胶粘在测量结构上时会破坏本身结构，因此精确测量纳米线电阻率时通常不选择该方法。..........
结 论
AFM 因其较高的加工精度以及较为简单的操作步骤被越来越广泛地应用于微纳制造当中。本课题主要探究了利用 AFM 机械刻划与剥离工艺相结合的方式制备尺寸可控的金属纳米线。尽管已有学者提出利用该方法制备金属纳米线，然而如何制备出尺寸可控金属纳米线尚未被探究，因此本课题具有一定的前沿性。本文主要从以下三个方面进行具体研究分析。 （1）在硅基表面旋涂 40nm 厚的 PMMA 薄膜，并利用 AFM 单晶硅针尖探针在 PMMA 表面刻划沟槽。通过赫兹弹性理论分析，AFM 在 PMMA 表面刻划出的纳米沟槽宽度与施加载荷以及探针圆弧半径有关。又由摩擦磨损理论可知，稳定磨损区间内的针尖圆弧半径与施加载荷有关。根据实验数据，分别拟合出标称弹性系数为 200N/m 以及 20~80N/m 的单晶硅探针的施加载荷与纳米沟槽宽度之间的关系。进而在后续过程中，可以通过选择合适的载荷大小，在 PMMA 薄膜上刻划出理想尺寸的纳米沟槽。
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参考文献（略）
本文编号：37948
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/37948.html
