一种聚二甲基硅氧烷模板印刷制备分子结的方法技术

一种聚二甲基硅氧烷模板印刷制备分子结的方法，清洗Si基片后进行光刻，制备下电极，在Au下电极表面制备分子自组装薄膜，制备聚二甲基硅氧烷模板，制备聚二甲基硅氧烷印章，制备上电极，然后进行上电极印刷，得到十字交叉分子结。本发明专利技术提供了一种有机分子层交叉分子结上电极的无损制备方法，避免了直接将Au膜沉积到有机分子层上时，由于少量金属颗粒渗入分子间孔隙而导致的上下电极短路或蒸发沉积热致烧蚀破坏带来的弊端。本发明专利技术方法有效避免了金属/分子接触界面之间的严重不确定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子器件
，涉及分子电子器件技术，特别涉及一种聚二甲基 硅氧烷模板印刷制备分子结的方法。
技术介绍
在分子电子器件领域，实现对若干分子聚集体或单层分子薄膜光电特性的测控与 其器件的高度集成及微纳化，是未来电子电路超微型化发展的趋势之一。而构筑分子电子 器件的基本思路是制备具有金属_分子_金属结构的分子结，然而在一定有限面积的基底 上实现简单、廉价、高效地构筑微纳分子结依然是一项巨大的挑战。目前一种设备简单、成 本低廉、效率比较高的制备方法是用PDMS模板印刷方法制备分子结。它主要是通过具有所 需微纳图案的PDMS印章作为上部金属电极转移的媒介，使之与下电极上的有机分子层缓 慢接触粘附而构成分子结。由于PDMS是一种弹性材料，对所制备器件的成品率有很大影 响，易使图形结构在重力和表面张力作用下发生变形、粘结和上下电极短路等问题。通常模 板印刷法制备的分子结，其功能薄膜介质的厚度约为50 250nm，对于单分子层薄膜(厚度 在10纳米以下)其成功几率非常低，故需要进一步的改进，以获得具有更佳性质的单分子层 器件。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足之处，本专利技术提供一种聚二甲基硅氧烷模板印刷制备分 子结的方法，解决金属/分子接触界面之间的严重不确定性问题。本专利技术方法步骤如下。(1)清洗Si基片在纯Si (100)基片的上下两面，用干氧氧化方法在1100 1200°C下生长200 300 nm 厚的SiO2层，氧化时间4 6小时。将切好尺寸的Si基片浸入50 80°C的piranha溶液 中，10 20分钟后取出，再依次浸入去离子水、丙酮和酒精中分别以超声波清洗3 5分 钟。需注意的是=Piranha溶液为纯H2SO4和质量浓度30%的H2O2按体积比4:1的比 例混合的混合物，是一种高氧化活性的腐蚀性溶液，有可能与有机材料发生剧烈的反应，操 作人员要注意身体的防护(需穿戴护目镜、实验服、橡胶手套，并在化学通风厨内操作)。(2)光刻在步骤(1)处理后的Si基片上旋涂正胶S1813，旋涂量为0. 7 3 μ m/cm2,以3 4千 转/分钟的速度勻胶30 60s，随后放在加热板上在110 120°C下软烘30 60s，取出 后自然冷却到室温。再用 PGMEA (1，2-Propanediol monomethyl ether acetatel，2-丙二 醇甲醚乙酸酯)或EGMEA (Methoxyethyl acetate醋酸_2_甲氧基乙酯)去边溶剂将Si基 片边缘的光刻胶去除。接下来将预先设计的下电极掩膜对准盖在Si基片上曝光60 90 s。然后将Si基片前烘180 300s，温度控制为110 120°C，再自然冷却到室温，取出后4放在正胶显影液中显影30 60s，最后用去离子水进行清洗并干燥。(3)制备下电极在以上光刻后的Si基片上蒸发沉积5 IOnm厚的Cr薄膜粘附层，然后在其基础上以 0. 3 0. 5nm/s的速率蒸发沉积80 IOOnm厚的Au薄膜，目的是让沉积的Au电极更牢固 的与基片结合。将基片上的光刻胶和无关的杂质用丙酮清洗掉(清洗可借助借助超声波震 荡5 15 S)。取出后，用流动的丙酮、无水乙醇和去离子水依次冲洗，干燥后得到突出的 Cr-Au薄膜图案，形成下电极。(4)在Au下电极表面制备分子自组装薄膜将以上带有Au下电极的Si基片用无水乙醇清洗，并进行干燥，然后将Si基片浸泡在 目标分子的无水乙醇或四氢呋喃(THF，tetrahydrofuran)溶液中22 26小时，溶液浓度 为1 2毫摩尔/升，在Au薄膜表面生成一层分子自组装薄膜，目标分子的无水乙醇或四 氢呋喃溶液盛装在玻璃容器中。目标分子选用正十二硫醇、1-癸硫醇或正辛硫醇。(5)制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板在另一块相同的经步骤(1)处理的Si基片上旋涂光刻负胶SU-8，以3 4千转/分 钟的速度勻胶70 100s，随后放在加热板上于60 80°C软烘120 150 s，再将温度升 到80 100° C软烘300 500 s,取出后自然冷却到室温，再用PGMEA或EGMEA去边溶 剂将Si基片边缘的光刻胶去除。接下来将预先设计的上电极掩膜对准并盖在基片上，曝光 80 100s。然后将基片在60 80°C下硬烘60 120s，升温到80 100°C接着硬烘120 150s,再自然冷却到室温。将基片放在负胶显影液中显影80 100s。最后用去离子水清 洗基片，去除杂质并吹干，获得期望的模板图案。(6)制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)印章将步骤(5)制作的Si基片粘贴在一个玻璃培养皿底部。将PDMS与固化剂按(8 12): 1的体积比混合，搅拌均勻后将PDMS与固化剂的混合物注入敞口容器中并使混合物的高度 为3 5mm，然后将装有PDMS与固化剂的混合物的敞口容器放到一个封闭容器内抽真空，使 真空度彡IO3Pa,以除去搅拌过程中混入PDMS聚合物中的气泡。取出装有PDMS与固化剂的 混合物的敞口容器，放在烘干箱内在65 75°C静置15 24h，PDMS即固化，用刀片划割一 块与Si基片尺寸相同的PDMS区块，并取下该PDMS区块(可用一镊子夹住切下的PDMS区块 的边缘使之脱模，与容器分离)，得到PDMS印章。固化剂采用聚有机硅灌封胶。(7)制备上电极用一中间开有小口的薄铝片(厚度0. 1 Imm)盖住上一步所得PDMS印章，只通过该 小口留出中间需要沉积Au电极的一块矩形区域(该矩形区域能够露出完整的上电极形状)。 通过该小口在PDMS印章上真空蒸发沉积一层15 25nm厚的Au薄膜，沉积速率为0. 3 0. 5nm/s。沉积前，需用液氮冷却PDMS印章，降低沉积过程中金属与PDMS间的热致粘附效 应，控制冷却温度为-170°C -180°C，时间为10 15分钟，冷却完再进行沉积。沉积完成 后，待基片温度自然升到室温，打开真空室取出带有金膜的PDMS印章，进行下一步的印刷 工作。(8)上电极印刷将带有金膜的PDMS印章置于载玻片上(将不带Au电极的一侧与载玻片接触)，在光学5显微镜下，通过移动载玻片，将PDMS印章上的Au电极(上电极)与步骤(4)制备的Si基片上 带有自组装膜的Au电极(下电极)接触，使上电极搭接区搭在下电极搭接区上，且上电极分 子结区(即图3所示的上电极的四个平行的小条)与下电极分子结区(即图3所示的下电极 的四个平行的小条)十字交叉接触。由于弹性PDMS模板的浸润性，较轻的Si基片自然被吸 附在PDMS模板上。然后，立即将此装置(载玻片上的PDMS印章和步骤(4)制备的Si基片) 置于真空室内，通过液氮冷却到-150°C -180°C并持续10 15分钟。待自然升到室温时， 打开真空室，将PDMS印章剥落，上电极被印刷到硅基片上，因而得到十字交叉分子结。用蘸 有镓铟液滴的钨针尖扎透上电极搭接区与下电极搭接区接触的区域形成欧姆接触。利用半导体参数分析仪测试所得分子结的光电特性，测试系统由变温真空伏安特 性测试台、所制备的带有交叉分子结的Si基片和半导体参数分析仪及数据采集计算机共 同组成。采用循环伏安法对器件进行电学特性测试，循环次数可根据需要确定。将样品放置 在变温真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚二甲基硅氧烷模板印刷制备分子结的方法，其特征在于步骤如下：（１）清洗Ｓｉ基片在纯Ｓｉ基片的上下两面，用干氧氧化方法于１１００～１２００℃生长２００～３００　ｎｍ厚的ＳｉＯ↓［２］层，氧化时间４～６小时，将切好尺寸的Ｓｉ基片浸入５０～８０℃的ｐｉｒａｎｈａ溶液中，１０～２０分钟后取出，再依次浸入去离子水、丙酮和酒精中分别以超声波清洗３～５分钟；（２）光刻在步骤（１）处理后的Ｓｉ基片上旋涂正胶Ｓ１８１３，随后放在加热板上在１１０～１２０℃下软烘３０～６０ｓ，取出后自然冷却到室温，再用去边溶剂将Ｓｉ基片边缘的光刻胶去除，接下来将预先设计的下电极掩膜对准盖在Ｓｉ基片上曝光６０～９０　ｓ，然后将Ｓｉ基片前烘１８０～３００ｓ，温度控制为１１０～１２０℃，再自然冷却到室温，取出后放在正胶显影液中显影３０～６０ｓ，最后用去离子水进行清洗并干燥；（３）制备下电极在以上光刻后的Ｓｉ基片上蒸发沉积５～１０ｎｍ厚的Ｃｒ薄膜粘附层，然后在其基础上以０．３～０．５ｎｍ／ｓ的速率蒸发沉积８０～１００ｎｍ厚的Ａｕ薄膜，将基片上的光刻胶和杂质用丙酮清洗掉，取出后，用流动的丙酮、无水乙醇和去离子水依次冲洗，干燥后得到突出的Ｃｒ－Ａｕ薄膜图案，形成下电极；（４）在Ａｕ下电极表面制备分子自组装薄膜将以上带有Ａｕ下电极的Ｓｉ基片用无水乙醇清洗，并进行干燥，然后将Ｓｉ基片浸泡在目标分子的无水乙醇或四氢呋喃溶液中２２～２６小时，溶液浓度为１～２毫摩尔／升，在Ａｕ薄膜表面生成一层分子自组装薄膜，目标分子的无水乙醇或四氢呋喃溶液盛装在玻璃容器中，目标分子选用正十二硫醇、１－癸硫醇或正辛硫醇；（５）制备聚二甲基硅氧烷模板在另一块相同的经步骤（１）处理的Ｓｉ基片上旋涂光刻负胶ＳＵ－８，随后放在加热板上于６０～８０℃软烘１２０～１５０　ｓ，再将温度升到８０～１００℃软烘３００～５００　ｓ，取出后自然冷却到室温，再用去边溶剂将Ｓｉ基片边缘的光刻胶去除，接下来将预先设计的上电极掩膜对准并盖在基片上，曝光８０～１００ｓ，然后将基片在６０～８０℃下硬烘６０～１２０ｓ，升温到８０～１００℃接着硬烘１２０～１５０ｓ，再自然冷却到室温，将基片放在负胶显影液中显影８０～１００ｓ，最后用去离子水清洗基片，去除杂质并吹干，获得期望的模板图案；（６）制备聚二甲基硅氧烷印章将步骤（５）制作的Ｓｉ基片粘贴在一个玻璃培养皿底部，将ＰＤＭＳ与固化剂按（８～１２）：１的体积比混合，搅拌均匀后将ＰＤＭＳ与固化剂的混合物注入敞口容器中并使混合物的高度为３～５ｍｍ，然后将装有ＰＤＭＳ与固化剂的混合物的敞口容器放到一个封闭容器内抽真空，使真空度≤１０３Ｐａ，取出装有ＰＤＭＳ与固化剂的混合物的敞口容器，放在烘干箱内在６５～７５℃静置１５～２４ｈ，ＰＤＭＳ即固化，划割一块与Ｓｉ基片尺寸相同的ＰＤＭＳ区块，并取下该ＰＤＭＳ区块，得到ＰＤＭＳ印章；固化剂采用聚有机硅灌封胶；（７）制备上电极用一中间开有小口的薄铝片盖住上一步所得ＰＤＭＳ印章，只通过该小口留出中间需要沉积Ａｕ电极的一块矩形区域，通过该小口在ＰＤＭＳ印章上真空蒸发沉积一层１５～２５ｎｍ厚的Ａｕ薄膜，沉积速率为０．３～０．５ｎｍ／ｓ；沉积完成后，待基片温度自然升到室温，打开真空室取出带有金膜的ＰＤＭＳ印章，进行下一步的印刷工作；（８）上电极印刷将带有金膜的ＰＤＭＳ印章置于载玻片上，将不带Ａｕ电极的一侧与载玻片接触，在光学显微镜下，通过移动载玻片，将ＰＤＭＳ印章上的Ａｕ电极与步骤（４）制备的Ｓｉ基片上带有自组装膜的Ａｕ电极接触，使上电极搭接区搭在下电极搭接区上，且上电极分子结区与下电极分子结区十字交叉接触，较轻的Ｓｉ基片自然被吸附在ＰＤＭＳ模板上，然后，立即将此装置置于真空室内，通过液氮冷却到－１５０℃～－１８０℃并持续１０～１５分钟，待自然升到室温时，打开真空室，将ＰＤＭＳ印章剥落，上电极被印刷到硅基片上，因而得到十字交叉分子结，用蘸有镓铟液滴的钨针尖扎透上电极搭接区与下电极搭接区接触的区域形成欧姆接触。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李建昌，王丹，王珊珊，周成，巴德纯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89