利用粘接光刻法,科学家制造出一个特殊的纳米二极管

   化学小能手        


为了制造纳米级光子和电子设备,工程师们需要用非对称金属制成电极,电极之间由纳米长度的间隙隔开。到目前为止,大多数电极都是用高端图形技术制造的,如电子束光刻。


虽然电子束光刻技术已经被发现可以在不对称金属电极上实现高保真的图形,但它也有一些限制。例如,它通常很难在更大的规模上应用,因为它只能同时处理有限数量的项目,而且它只对某些材料有效。


阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)和伦敦帝国理工学院的研究人员介绍了一种可能用于大规模制造不对称纳米间隙电极的替代方法。最近,他们使用了这种技术(几年前在《自然通讯》上发表的一篇论文中首次提出)来制造纳米间隙电极设备。



利用粘接光刻法,科学家制造出一个特殊的纳米二极管

利用粘接光刻技术在玻璃晶片上制造平面奈米间隙电极。


项研究的首席研究员Thomas D. Anthopoulos告诉TechXplore:“我们最近的研究是基于2014年的一次偶然发现;尽管我们最初的兴趣是制造自对齐栅晶体管,但我们很快就意识到自对齐电极之间只有很小的距离(即小于15nm的纳米间隙)。”


这种制造方法是由Anthopoulos和他的同事们设计的,不需要特别复杂的工具,也可以使用传统的光刻设备在材料的大部分上应用。此外,它可以获得良好的结果,而不需要使用额外的和典型昂贵的图形技术,如电子束光刻。


大约5年前,当他们第一次开始测试他们的方法时,研究人员主要用它来制造有机光电纳米间隙设备。然而,他们很快意识到,这也允许无机材料(如ZnO)使用前体溶液沉积在纳米隙内。


在最近的研究中,Anthopoulos和他的同事使用他们的a-Lith技术创建了可以在微波和毫米波频段工作的ZnO肖特基二极管。为了制造这些二极管,他们使用晶片级的a-Lith在两个不对称的金属电极上绘制图案,并以大约15纳米的间隙将它们隔开。最后,他们通过在器件衬底上沉积一层ZnO来完成。


Anthopoulos说:“事实上,a-Lith允许两种不同金属对齐如此接近对方,允许我们调整两个金属-ZnO触点的特性,从而使整个平面设备像一个二极管。这个关键器件参数的纳米级尺寸是我们的平面ZnO肖特基二极管具有出色工作特性的原因。”


a-Lith的制造过程相当简单,因此可能更易于大规模实施。它还不需要对沉积参数的精确控制,这在创建传统的垂直型二极管时通常是必需的。


Anthopoulos说:“使用传统的光刻技术并结合一些关键的处理步骤,可以很容易地在大面积基板(玻璃、硅甚至聚合物)上制造我们的二极管。这些步骤使我们能够在两个重叠的金属电极之间进行机械剥离,从而在两个重叠的金属电极之间形成纳米间隙。”


由Anthopoulos制造的二极管具有100 GHz的最大固有截止频率。此外,研究人员将它们与其他无源电子元件集成在一起以创建射频能量收集电路,并发现这些电路在2.45 GHz和10 GHz时分别达到600 mV和260 mV的输出电压。


Anthopoulos说:“ a-Lith方法是一个强有力的例子,说明了如何将可伸缩的自底向上技术巧妙地与已建立的自顶向下方法相结合,从而产生具有传统制造技术独特优势的创新加工模式。我们的ZnO二极管第一次展示了我们的处理模式如何产生能够以解决方案处理、大面积电子设备无法想象的频率运行的设备,特别是对于物联网设备生态系统而言。”


用于制造这些肖特基二极管的设计和制造工艺在理论上也可以应用于其他电路元件的开发,包括电阻和电容。在未来,这项研究可能为开发和大规模制造大量设备以及单片射频(RF)电路铺平道路,而不需要昂贵和经常不可靠的异构组件集成过程。


Anthopoulos说:“我觉得我们的工作连接了传统射频电子与新兴的大面积印刷电子领域,并有潜力实现一系列新的应用。我们现在正在利用纳米间隙技术开展多个项目,包括改进的、高度可伸缩的纳米蚀刻技术的发展,这种技术提供了更好的分辨率,同时更容易实施,以及创新的光电子、传感器和能量收集/产生设备。”

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