專利名稱：納米級電子設(shè)備及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子設(shè)備中所用的導(dǎo)電納米級線狀結(jié)構(gòu)的制備方法及由此方法形成的設(shè)備，尤其但不是全部地本發(fā)明涉及一種通過組裝導(dǎo)電納米顆粒制備此類結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)被認為是21世紀的關(guān)鍵技術(shù)。這種技術(shù)集中于制備一米的幾十億分之一尺度的電子、光學(xué)及光電設(shè)備。將來此類設(shè)備將成為新的計算和通信技術(shù)的基礎(chǔ)，并應(yīng)用于大批的生活消費品中。
制造納米級設(shè)備有許多優(yōu)點。從最簡單情況來講，此類裝置比當前所用的商用設(shè)備(如用在集成電路中的晶體管)更小，因而具有提高存儲密度、降低能量損耗和提高速度的可能性。此外，此類較小設(shè)備與那些大尺寸制造的設(shè)備相比具有基本上不同的性質(zhì)，因而這一點可提供全新設(shè)備應(yīng)用的可能性。
本領(lǐng)域的困難之一是研發(fā)利用量子物理學(xué)定律的納米結(jié)構(gòu)設(shè)備。尺寸為～100nm并基于量子原理起作用的電學(xué)設(shè)備(如單電子晶體管和量子線)通常僅在低溫(＜-100℃)得到證實。既然量子效應(yīng)的全部范圍和新型設(shè)備的功能在室溫也適用，那么當前困難是將這些相同的設(shè)備構(gòu)思轉(zhuǎn)化成僅有幾納米尺寸的結(jié)構(gòu)。當然如下所述已制造出一些可證實相對較高溫度下的量子效應(yīng)的原型納米級設(shè)備。然而如下所述在發(fā)現(xiàn)此類設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用前仍有許多困難需要克服。
一般而言，制備納米級設(shè)備有兩種截然不同的方法-“自上而下”，及-“自下而上”。
在“自上而下”方法中，通過光刻和蝕刻相結(jié)合而產(chǎn)生設(shè)備。例如可使用在光刻過程中所用光的波長測定分辨率范圍光刻是具有較高產(chǎn)量的高度發(fā)展的可靠技術(shù)，但是當前的技術(shù)狀態(tài)(使用UV輻射)制得～10nm尺寸的設(shè)備需要的花費較大。其它光刻技術(shù)(例如電子束光刻技術(shù))(基本上)可提供較高的分辨率但是產(chǎn)量更低。
“自下而上”技術(shù)提出從納米級構(gòu)造塊組裝設(shè)備，從而可立即得到納米級分辨率，但是這種技術(shù)常遇到一系列其它問題，包括組裝構(gòu)造塊所需要的難度、費用及較長時間。關(guān)鍵的問題在于自上而下和自下而上方法是否能夠結(jié)合起來以制造具有這兩種方法最佳特性的設(shè)備，同時避免每一種方法所固有的問題。
現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展試圖利用這些方法組合的實例是高度成功地從碳納米管制造晶體管[1]。觸點是使用光刻制造的，納米級構(gòu)造塊(納米厚度的碳納米管形式)被用于在觸點間提供導(dǎo)電通路。與集成電路中使用的Si-MOSFETs相比，這些晶體管表現(xiàn)出量子傳輸效應(yīng)并具有晶體管特性[2，3]，因此基本上適于商用。然而，分離和控制單納米管而形成可重現(xiàn)的設(shè)備的難度妨礙了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。因此，開發(fā)在導(dǎo)電觸點間形成納米線結(jié)構(gòu)的新技術(shù)是重要的技術(shù)難題。
一種簡單形成納米線的方法是拉長較大的線直到其直徑僅為幾個原子而接近于斷裂點(例如參見參考文獻[4]和其中的參考文獻；使用掃描隧道顯微鏡可得到相似的效果)。此時斷裂接觸面表現(xiàn)出量子化的電傳導(dǎo)。盡管這種技術(shù)很有趣，但由于這種技術(shù)通常難于控制，所以這種技術(shù)不能很好地適用于設(shè)備制造，同時由于多端設(shè)備不容易得到，因而在任何情況下僅能制造單線。
另一種方法是使用光刻和電化學(xué)技術(shù)的組合而得到較窄的線和/或具有納米級間距的觸點[5]。從Cu的電化學(xué)沉積可觀察到量子化的電傳導(dǎo)，并從這些納米線研發(fā)出化學(xué)傳感器[6]。這些設(shè)備是有應(yīng)用前景的，同時也證實在商用中可充分控制或可重現(xiàn)它們的制造，或者證實可使用這種方法制造多端或其它電子設(shè)備。
提案[7]利用原子簇形成具有幾個納米尺度的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是通過簡單的蒸發(fā)技術(shù)形成的納米級顆粒(例如參見[8，9])，這種提案已經(jīng)引起了國際上幾個研究組的想象[10]。這表明原子簇可穿過基底擴散[11]，然后在某些特性表面上排列，從而產(chǎn)生簇鏈結(jié)構(gòu)[12，13，14]，盡管在這些情況下鏈通常是不完整的(有間隙)并且這些鏈相距很遠以至于不能與非導(dǎo)電基底上的電觸點連接。由于線的寬度可由簇的尺寸控制，所以這種方法是有應(yīng)用前景的，但是在適用的基底上布置簇而形成實際設(shè)備的問題仍需解決。
在參考文獻[8，15，16]中報道了利用原子簇所形成的設(shè)備利用了離子束沉積法[15]在用電子束光刻法形成的觸點間形成了簇網(wǎng)絡(luò)。在此過程中，簇是通過沉積原子蒸氣形成的而不是將預(yù)制的納米顆粒沉積在基底上而形成的。此設(shè)備在T＝77K時表現(xiàn)出庫侖阻塞效應(yīng)[8]，但是在室溫下沒有看到明顯的量子效應(yīng)。在此過程中，僅利用了AuPd和Au簇，重要的是在這些設(shè)備中是通過隧道效應(yīng)而經(jīng)過簇網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電。沒有公開可控制地形成導(dǎo)電通路的方法，僅公開了兩端設(shè)備，因此沒有形成與上述納米管晶體管相似的設(shè)備。
已經(jīng)制造了含有單個(或有限數(shù)量的)納米顆粒的多種設(shè)備(例如參見[17，18，19])。這些設(shè)備潛在地非常有效，但是同樣地極易于遇到與組裝構(gòu)造塊所需要的費用和較長時間相關(guān)的困難。設(shè)備對設(shè)備的重現(xiàn)性及布置納米顆粒的難度也是另外的問題。此外，因為隧道電流呈指數(shù)級地取決于勢壘厚度，所以優(yōu)選實施方案的設(shè)備需要通過隧道勢壘將納米顆粒與觸點絕緣，而隧道勢壘的性質(zhì)對于設(shè)備的性能而言是至關(guān)重要的。在某些情況下，掃描隧道顯微鏡的使用引起較慢和不可升級的制造過程。本領(lǐng)域中近來的發(fā)展產(chǎn)生了第一個單電子晶體管，其是用單個原子制造的用作產(chǎn)生隧道效應(yīng)的島[19]。盡管這是明顯的成功，而且制造的自組裝元件是有吸引力的，但是此類設(shè)備距商業(yè)生產(chǎn)仍很遙遠，所用的方法也不適于大規(guī)模生產(chǎn)。
對于納米級設(shè)備的制造而言濕化學(xué)方法(例如參見[17])也是適用的，并可為克服布置納米顆粒的難題提供有希望的方法。盡管這些技術(shù)在將來仍然是重要的，但是這種局限性包括使用這些技術(shù)形成的納米顆粒種類的受限范圍、編碼吸引納米顆粒的特定點的難度、及關(guān)于它們用于測量的合適性而且至今未解決的問題。
最后我們提到已對金屬納米顆粒薄膜的滲流進行了幾個實驗(例如參見[20，21，22，23，24，25])。通常納米顆粒沉積在電觸點間，并且在滲流閾值時可觀察到明顯的開始電傳導(dǎo)。實驗文獻沒有報道納米顆粒薄膜的滲流，其中此薄膜全部是納米級尺度的(即其中觸點間距較小)，并且就我們所知在文獻中沒有在納米級設(shè)備中使用滲流薄膜的提議。即使在結(jié)構(gòu)中的某處存在較窄的通道，其中單個顆?；驇讉€相鄰顆粒產(chǎn)生較窄的線狀結(jié)構(gòu)，但宏觀觸點間距的使用可確保即使在滲透閾值時薄膜的性質(zhì)也強烈地受宏觀簇組裝薄膜相對均勻性質(zhì)的影響。此前沒有在納米級電子設(shè)備中在滲流閾值時形成納米級簇鏈的提議。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種制備納米級線狀結(jié)構(gòu)的方法和/或由此制得的設(shè)備，其克服了一個或多個上述的缺點，或者至少為公眾提供一種有用的選擇。此外，線狀結(jié)構(gòu)的形成過程特別是它們形成中的電學(xué)監(jiān)測可用作檢測帶有預(yù)定覆蓋度簇膜形成的方法。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種在基底上的多個觸點間至少形成一條導(dǎo)電納米顆粒鏈的方法，該方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，c.至少在該觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.在該觸點間形成導(dǎo)電納米顆粒鏈。
優(yōu)選地，兩個觸點相距小于10微米，更優(yōu)選地，觸點相距小于1000nm。
優(yōu)選地，該納米顆粒由兩個或多個原子組成，其可以是相同或不同的元素。
優(yōu)選地，該納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的，并且納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm。
優(yōu)選地，該納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且該納米顆粒是由相同或不同元素的多個原子組成的原子簇。
優(yōu)選地，該基底是絕緣或半導(dǎo)體材料，更優(yōu)選地，該基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
優(yōu)選地，該納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
優(yōu)選地，該觸點是由光刻形成的。
優(yōu)選地，至少一條導(dǎo)電鏈由如下任一步驟形成i.監(jiān)測該觸點間的電傳導(dǎo)，并在或接近開始電傳導(dǎo)時終止沉積，和/或ii.改變該基底表面，或利用先已存在的表面特征，從而當納米顆粒被沉積在改變的區(qū)域或具有表面特征的區(qū)域時使納米顆粒形成納米線。
在一個優(yōu)選實施方案中，形成導(dǎo)電納米顆粒鏈的步驟是步驟i.，彼此相關(guān)和與納米顆粒尺寸相關(guān)的觸點幾何形狀已被最優(yōu)化，從而增大了在通常在相同顆粒的宏觀薄膜或其部分薄膜中不認為有電傳導(dǎo)的表面覆蓋時形成納米顆粒鏈的可能性。
優(yōu)選地，最優(yōu)化是通過滲流理論計算的，其中滲流理論定義了滲流閾值，在滲流閾值時這種排列或系統(tǒng)是導(dǎo)電的，并且其中最優(yōu)化提高了比滲流閾值更小的表面覆蓋度時的電傳導(dǎo)。
優(yōu)選地，平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm，觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑，每個觸點的寬度基本上超過10x觸點間距。
優(yōu)選地，觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
優(yōu)選地，條件是阻礙納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或本身條件。
優(yōu)選地，納米線結(jié)構(gòu)被密封在絕緣或電介質(zhì)材料中，從而防止納米線被氧化，并可制造與該納米線絕緣的因而可作為門極的第三觸點。
優(yōu)選地，納米線結(jié)構(gòu)制造在多層基底上，基底中的一層是導(dǎo)電的從而可作為門極。
在可選擇的優(yōu)選實施方案中，通過步驟ii.形成導(dǎo)電納米顆粒鏈，平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm。
優(yōu)選地，改變包括基本上在兩個觸點間延伸并形成在基底表面中的臺階、凹陷或隆起部。
優(yōu)選地，改變包括形成基本上在觸點間延伸并基本上具有v型橫截面的槽。
優(yōu)選地，條件是促進納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身的條件。
優(yōu)選地，改變是通過光刻和蝕刻實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一條基本上按照上面方法制備的在基底上的多個觸點間的導(dǎo)電納米顆粒鏈。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種在基底表面的兩個觸點間形成導(dǎo)電納米線的方法，該方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，c.至少在該觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.通過監(jiān)測兩個觸點間的電傳導(dǎo)并在電傳導(dǎo)起始時終止沉積，來監(jiān)測導(dǎo)電納米線的形成，其中觸點相距小于10微米。
優(yōu)選地，觸點相距小于100nm。
優(yōu)選地，該納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm，并且該納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的。
優(yōu)選地，該納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且該納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成的原子簇。
在一個優(yōu)選實施方案中，觸點的幾何形狀是由滲流理論計算而最優(yōu)化的，從而在觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上形成納米顆粒表面覆蓋度小于滲流閾值覆蓋度70％的導(dǎo)電納米線。
優(yōu)選地，表面覆蓋度小于30％，更優(yōu)選地，表面覆蓋度基本上在20％的范圍。
優(yōu)選地，最優(yōu)的幾何形狀需要-在觸點間的矩形區(qū)域(或幾何上的等價區(qū)域，如交叉觸點)；-觸點相距為小于60x平均納米顆粒直徑，及-每個觸點的寬度超過10x觸點間距。
優(yōu)選地，
-觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑；及-每個觸點的長度基本上超過10x觸點間距。
優(yōu)選地，平均納米顆粒直徑基本上為0.5nm～1,000nm。
優(yōu)選地，觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
優(yōu)選地，條件是阻礙納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身條件。
在可選擇的優(yōu)選實施方案中，在觸點間區(qū)域內(nèi)的基底的表面形狀能夠促進觸點間納米顆粒導(dǎo)電通路的形成。
優(yōu)選地，該方法在步驟a)或b)之前或之后但至少要在步驟c)之前包括如下補充步驟i)為形成導(dǎo)電通路，改變表面以對沉積的納米顆粒的布置提供有幫助的表面形狀。
優(yōu)選地，改變包括基本上在兩個觸點間延伸并形成在基底表面中的臺階、凹陷或隆起部。
優(yōu)選地，改變包括形成基本上在觸點間延伸并基本上具有v型橫截面的槽。
優(yōu)選地，改變是通過光刻和蝕刻實現(xiàn)的。
優(yōu)選地，條件是促進納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身條件。
優(yōu)選地，該基底是絕緣或半導(dǎo)體材料，更優(yōu)選地，該基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英、玻璃。
優(yōu)選地，該納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供基本上按照上面方法制備的在基底表面的兩個觸點間的導(dǎo)電納米線。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種在基底表面的兩個觸點間形成導(dǎo)電納米線的方法，該方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，
c.至少在該觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.通過如下任一步驟得到基本上在兩個觸點間延伸的一條納米線i.監(jiān)測該觸點間的電傳導(dǎo)，并在電傳導(dǎo)起始時終止沉積，和/或ii.改變該基底，或利用先已存在的并可使納米顆粒形成納米線的表面特征。
優(yōu)選地，觸點相距小于10微米，更優(yōu)選地，觸點相距小于100nm。
優(yōu)選地，該納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm，并且該納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的。
優(yōu)選地，該納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且該納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成的原子簇。
優(yōu)選地，觸點是通過光刻形成的。
優(yōu)選地，該基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
優(yōu)選地，該基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
優(yōu)選地，該納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供基本上按照上面方法制備的在基底表面的兩個觸點間的導(dǎo)電納米線。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種在形成于基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備的制造方法，該方法包括或包含如下步驟A.按如上所述的任一方法在基底表面的兩個觸點間制備導(dǎo)電納米線。
B.將該觸點和納米線與該納米級設(shè)備組合。
優(yōu)選地，該設(shè)備包括兩個或多個觸點并包括一條或多條導(dǎo)電納米線。
優(yōu)選地，在顆粒沉積過程中或沉積之后，通過施加電壓或電流而經(jīng)由鏈進行電傳導(dǎo)。
優(yōu)選地，組合步驟導(dǎo)致產(chǎn)生下面的任一個或多個實施方案1.在其間有導(dǎo)電納米線的兩個基本觸點，在基底上的至少一個第三觸點，該第三觸點不與基本觸點電學(xué)連接從而可在放大或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備、晶體管或等價物中作為門極或其它元件；和/或2.在其間有導(dǎo)電納米線的兩個基本觸點，絕緣材料的上層或下層，在該上層或下層遠離該基本觸點端的至少一個第三觸點，從而該第三觸點可在轉(zhuǎn)換設(shè)備、晶體管或等價物中作為門極或其它元件；和/或3.該觸點和/或納米線受氧化物或其它非金屬或半導(dǎo)體薄膜的保護從而保護和/或增強它的性質(zhì)；和/或4.在帶有觸點和納米線的基底表面之上的覆蓋層(可是摻雜或未摻雜的)，其可以是也可以不是3中的薄膜；5.在基底表面上的納米顆粒被退火；6.通過應(yīng)用在基底上的抗蝕劑、或其它有機化合物、或氧化物、或其它絕緣層來控制納米顆粒的布置，然后使用光刻和/或蝕刻處理以形成其內(nèi)納米顆粒參與觸點間電傳導(dǎo)的一個或多個區(qū)域及其內(nèi)納米顆粒與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)絕緣的另一個或多個區(qū)域。
優(yōu)選地，該設(shè)備是晶體管或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備、薄膜沉積控制設(shè)備、磁場傳感器、化學(xué)傳感器、發(fā)光或檢測設(shè)備、或溫度傳感器。
優(yōu)選地，該設(shè)備是監(jiān)測納米顆粒薄膜沉積的沉積傳感器，其至少包括一對幾何形狀被最優(yōu)化的觸點，從而在相同顆粒的宏觀薄膜中通常不能預(yù)期到電傳導(dǎo)的表面覆蓋度時該設(shè)備開始發(fā)生電傳導(dǎo)，其中可以選擇觸點間距從而在或接近電傳導(dǎo)起始時改變表面覆蓋度，其中作為預(yù)先確定觸點間距的結(jié)果，當在薄膜中達到預(yù)定的納米顆粒覆蓋度時，在納米顆粒薄膜中的開始電傳導(dǎo)被用于感測。
優(yōu)選地，該設(shè)備是沉積傳感器，而納米顆粒被涂布在配體或絕緣層中，從而開始的隧道電傳導(dǎo)可用于監(jiān)測薄膜厚度。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供基本上按照上面方法制備的在形成于基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供一種在形成在基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備，其包括或包含i)至少在該基底上的兩個觸點，ii)在該觸點間形成納米顆粒導(dǎo)電鏈或通路的多個納米顆粒。
優(yōu)選地，兩個觸點相距小于10微米。
優(yōu)選地，觸點相距小于1000nm。
優(yōu)選地，在顆粒沉積過程中或沉積之后，通過施加電壓或電流而經(jīng)由鏈開始電傳導(dǎo)。
優(yōu)選地，納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成。
優(yōu)選地，該納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的，并且納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm。
優(yōu)選地，該基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
優(yōu)選地，該基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
優(yōu)選地，該納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
優(yōu)選地，至少一條導(dǎo)電鏈由如下任一步驟形成i.監(jiān)測該觸點間的電傳導(dǎo)，并在開始電傳導(dǎo)時終止沉積，和/或ii.改變該基底表面，或利用先已存在的表面特征，從而當納米顆粒被沉積在改變的區(qū)域或具有表面特征的區(qū)域時使納米顆粒形成納米線。
在一個優(yōu)選實施方案中，至少一條導(dǎo)電鏈是由步驟i.形成的，平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm，觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑，每個觸點的長度基本上超過10x觸點間距。
優(yōu)選地，觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
在可選擇的優(yōu)選實施方案中，形成導(dǎo)電納米顆粒鏈的步驟是步驟ii.，其中平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨咨系亩鄠€觸點間的一條導(dǎo)電納米顆粒鏈。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，提供結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨妆砻嫔系膬蓚€觸點間的導(dǎo)電納米線。
根據(jù)本發(fā)明的第十二方面，提供結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨咨系亩鄠€觸點間制備一條導(dǎo)電納米顆粒鏈的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第十三方面，提供結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨妆砻嫔系膬蓚€觸點間制備導(dǎo)電納米線的方法。
定義本文所用的“納米級”具有下面的意義-在0.5～1000納米內(nèi)的一個或多個尺寸。
本文所用的“納米顆?！本哂邢旅娴囊饬x-尺寸為0.5～1000納米的顆粒，其包括由惰性氣體凝聚或其它方式形成的原子簇。
本文所用的“納米線”具有下面的意義-通過組裝納米顆粒形成的通路，通過歐姆電傳導(dǎo)(例如與隧道電傳導(dǎo)相比)其基本上或整體上是導(dǎo)電的。

圖1表明了這樣的通路。其不限于一種線形式，而可以是直接或間接的線，其也可以帶有側(cè)鏈或與其相關(guān)的其它結(jié)構(gòu)。納米顆?？梢允遣糠只蛉拷雍系幕蛘呦喾矗灰鼈兛梢詫?dǎo)電。納米線的定義甚至可以包括顆粒薄膜，此薄膜是部分均勻的，但是具有有限量的關(guān)鍵性通路；其不包括納米顆粒的均勻薄膜或由納米顆粒沉積生成的均勻薄膜。
本文所用的“觸點”具有下面的意義-基底上的區(qū)域，通常但不限于包括蒸發(fā)的金屬層，其作用是在納米線或簇沉積薄膜和外電路或其它的電子設(shè)備之間提供電連接。單個觸點寬度為w；就兩個觸點而言它們間距為L(參見圖1)。
本文所用的“原子簇”或“簇”具有下面的意義-由任何氣體凝聚或眾多其它技術(shù)[26]中的一種形成的原子的納米級凝聚體，其直徑為0.5～1000nm，并且通常包括2～107個原子。
本文所用的“基底”具有下面的意義-包含一層或多層并用作制備該設(shè)備制造的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的絕緣或半導(dǎo)體材料。通過電觸點沉積、摻雜或者用于形成表面形狀的光刻過程可以改變該基底。
本文所用的“電傳導(dǎo)”具有下面的意義-包括歐姆電傳導(dǎo)但不包括隧道電傳導(dǎo)的電傳導(dǎo)。這種電傳導(dǎo)高度地與溫度相關(guān)，并可看作是與金屬電傳導(dǎo)一樣的半導(dǎo)體納米線。
本文所用的“鏈”具有下面的意義-由作為連接的網(wǎng)絡(luò)一部分的單個單元組成的通路或其它結(jié)構(gòu)。同納米線一樣，其不限于一種線形式，而可以是直接或間接的線，其也可以帶有側(cè)鏈或與其相關(guān)的其它結(jié)構(gòu)。納米顆?？梢允遣糠只蛉拷雍系幕蛘呦喾?，只要它們可以導(dǎo)電。鏈的定義甚至可以包括顆粒薄膜，此薄膜是部分均勻的，但是具有有限量的關(guān)鍵性通路；其不包括納米顆粒的均勻薄膜或由納米顆粒沉積生成的均勻薄膜。
本文所用的“交叉觸點”具有下面的定義-排列的一對觸點，例如如圖4所示，從每個觸點來的一個或多個數(shù)字可在從另一個觸點來的數(shù)字間交叉存取。
本文所用的“滲流理論”具有下面的定義-是對隨機占據(jù)點的連接結(jié)構(gòu)形成的理解，其中具有正規(guī)的晶格點(點滲流)或相反(連接滲流)?！皾B流理論”包括關(guān)于這種理論的所有變體，其可計算重要的參數(shù)，如點網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率、滲流可能性及相關(guān)長度。其也包括這種理論集中于連接點的鍵(鍵滲流)的變體。
本文所用的“滲流閾值”具有下面的定義-在滲流理論中有用點的最少占據(jù)，此滲流閾值時存在的點的連接結(jié)構(gòu)可擴展到系統(tǒng)的一個空間方向和/或允許穿過該系統(tǒng)導(dǎo)電。
附圖簡要說明下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
圖1示意性地表明了在一對間距為L寬度為w的觸點間沉積的簇。
圖2表明對四個不同的系統(tǒng)尺寸L而言歸一化的電導(dǎo)率作為覆蓋度p的函數(shù)。
圖3表明對于有效的滲流閾值ponset(L)而言作為最小可觀察到的電導(dǎo)率σmin的函數(shù)的尺度指數(shù)z。
圖4表明了放大50倍的雙層觸點排列(左)，其代表由光刻技術(shù)形成的粘合襯墊，也表明了放大1000倍的雙層觸點排列(右)，其代表由EBL形成的交叉觸點。
圖5表明歸一化的臨界薄膜厚度dC(L)/dC( )作為系統(tǒng)尺寸L(觸點間距)的函數(shù)。
圖6表明對于沉積在一組觸點間距為1600nm的觸點上的鉍簇(～0.2/s)而言，電流作為時間的函數(shù)，表明了電傳導(dǎo)開始。
圖7表明了雙層觸點排列和測量電路(上面的)，用于在相同的實驗過程中觀察滲流閾值(下面的)。
圖8表明對于不同的正方形系統(tǒng)尺寸(L)，在不同覆蓋度(p)時觀察到的滲流閾值可能性。
圖9表明了對于提高簇覆蓋度的原子力顯微照片。
圖10示意性地表明簇沉積過程。
圖11示意性地表明對滲流簇薄膜的電學(xué)測量，圖12示意性地表明對具有正方形(L×L)觸點幾何形狀的薄膜的電學(xué)測量。
圖13示意性地表明對具有矩形(L×w)觸點幾何形狀即觸點寬度(w)和觸點間距(L)不相同的薄膜的電學(xué)測量。
圖14表明了三端設(shè)備。
圖15表明四端設(shè)備，其中觸點間的間距相似。
圖16表明與圖15中相似的設(shè)備，但在觸點1和3之間有V型槽。
圖17表明具有相同標定的覆蓋度的連接結(jié)構(gòu)(a)和未連接結(jié)構(gòu)(b)。
圖18近似覆蓋度為0.20、0.40、0.60及0.80的滲流L×L薄膜(L～20)。
圖19表明了低分辨率樣品的場發(fā)射SEM照片，此樣品帶有6對覆蓋在含有20nmBi簇薄膜中的交叉觸點。
圖20表明與模擬(連續(xù)模型)結(jié)果相比滲流簇薄膜的場發(fā)射SEM照片。
圖21表示對于各種L×w的矩形系統(tǒng)滲流可能性作為覆蓋度函數(shù)的圖。
圖22表示對于各種L×w的矩形系統(tǒng)電導(dǎo)率作為覆蓋度函數(shù)的圖，上面線性垂直刻度，下面對數(shù)垂直刻度。表明了這些實際L×w樣品的S(p)數(shù)據(jù)，ponset(L)數(shù)據(jù)描繪在圖23中，其中將它們與常規(guī)滲流閾值所定義的ponset(L)數(shù)據(jù)(從圖21得到)進行了對比。
圖23表示對于各種L×w的矩形系統(tǒng)Ponset(L)-pC值對系統(tǒng)尺寸L的對數(shù)-對數(shù)的圖。
圖24表明兩個溫度下的鉍簇薄膜電流-電壓特性，表現(xiàn)出可重現(xiàn)的線性低壓行為。
圖25表明室溫下的鉍簇薄膜電流-電壓特性，表現(xiàn)出線性低壓行為和高壓下的電阻臺階。
圖26表明示意性的基于簇鏈的光電二極管。
圖27表明了一種示意性的一部分已被絕緣層涂布的設(shè)備。
圖28用KOH蝕刻在硅中的V型槽的原子力顯微照片。
圖29示意性地表明用V型槽的AFM照片產(chǎn)生的簇組裝納米線。
圖30表明了FET結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其是首先在簇組裝納米線上方沉積絕緣層然后光刻門極觸點而形成的。
圖31表明用KOH蝕刻在硅中的“倒置金字塔”底部兩個不同分辨率的原子力顯微鏡圖片。
圖32電阻對電壓數(shù)據(jù)，表明在施加電壓/電流下簇薄膜的變化。
發(fā)明詳細說明本發(fā)明公開了我們通過組裝導(dǎo)電納米顆粒制造納米級線狀結(jié)構(gòu)的方法。我們技術(shù)的優(yōu)點(與許多可競爭的技術(shù)相比)包括-通過使用簡單易懂的技術(shù)，即簇沉積和相對低分辨率的光刻，就可形成導(dǎo)電納米線。
-生成的納米線自動與電觸點相連。
-電流可從納米線形成那刻開始沿其流動。
-因為通過使用下述的兩種技術(shù)之一從而線是“自組裝”的，所以形成納米線不需要控制簇。
-通過選擇簇的大小可控制納米線的寬度。
A.本發(fā)明的方法本發(fā)明依賴于多個步驟和/或技術(shù)1.在基底上形成觸點和/或其它光刻所形成的圖案2.形成納米級顆粒(原子簇)3.在基底上沉積原子簇4.監(jiān)測納米線通路的形成
1.觸點的形成在半導(dǎo)體和集成電路工業(yè)中電子束光刻和照相光刻被證實是較好的技術(shù)，并且通常是形成觸點的優(yōu)選方式。這些技術(shù)通常用于形成從晶體管到固體激光器的多種電子設(shè)備。在我們的技術(shù)中標準的光刻過程僅用于制備用于我們設(shè)備的觸點，并且該設(shè)備的活性元件是由沉積的原子簇形成的納米線。本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員可以理解，除了電子束光刻和照相光刻外，可以形成納米級觸點的本領(lǐng)域其它技術(shù)也包括在本發(fā)明中，例如納米壓印光刻技術(shù)。
光刻技術(shù)和各種蝕刻技術(shù)一起可用于制備表面結(jié)構(gòu)。特別地，已確立了形成V-槽和相關(guān)結(jié)構(gòu)如倒置金字塔的過程，例如用KOH蝕刻硅。本發(fā)明的范圍包括用于得到有助于納米線形成的表面圖案的其它光刻步驟。
2.原子簇的形成這是個簡單的過程，其中金屬蒸氣蒸發(fā)進流動的惰性氣體流，從而引起金屬蒸氣濃縮成較小顆粒。顆粒通過管口由惰性氣體流傳輸，從而形成分子束。從分子束來的顆?？沙练e在適用的基底上。這種過程被稱為惰性氣體凝聚(IGA)，但是使用任何其它類型的簇源同樣可形成簇(例如參見評述[26]中所述的簇源)。
3.簇沉積在參考文獻27中描述了簇沉積系統(tǒng)的基本設(shè)計，其內(nèi)容據(jù)此引為參考。其包括簇源和一系列不同的抽吸室，抽吸室用于在簇最終沉積在基底上之前將簇進行電離、尺寸選擇、加速和聚焦。事實上，盡管需要這種蒸發(fā)系統(tǒng)但不是必要的，我們的第一個設(shè)備是在相對較差的真空而沒有進行電離、尺寸選擇、加速和聚焦的情況下形成的。
4.監(jiān)測納米線的形成本發(fā)明方法包括監(jiān)測一對電觸點間的電傳導(dǎo)，并且經(jīng)在觸點間形成導(dǎo)電連接后終止原子簇沉積。如果多于一條納米線是有用的，那么可選擇或進一步的實施方案包括監(jiān)測多于一條納米線結(jié)構(gòu)的形成。
我們通過檢測兩個觸點間電傳導(dǎo)的開始監(jiān)測形成過程。如下面所討論的，這需要將我們的沉積系統(tǒng)與沉積室用電連接件(electricalfeedthroughs)接通，以允許在沉積過程中在裝置上進行電學(xué)測量。
本發(fā)明的某些方面(下面結(jié)合“TeCAN”形成討論)中這種電傳導(dǎo)監(jiān)測是不需要的，可利用其它的變量如沉積時間來估計或監(jiān)測形成過程。
B.技術(shù)結(jié)果本發(fā)明方法和制造的設(shè)備被應(yīng)用在兩個優(yōu)選的技術(shù)中a).滲流簇組裝的納米設(shè)備(下文稱為PeCANs)及相關(guān)方法這些設(shè)備是那些其內(nèi)在納米級尺寸間距的電觸點對之間形成有滲流薄膜的設(shè)備。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在觸點間的簇沉積(參見圖10、圖11、圖12、圖13、圖19和圖20)可形成與滲流理論中所述的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。圖10示意性地表明簇沉積過程。圖11示意性地表明對滲流簇薄膜的電學(xué)測量，而圖12示意性地表明對具有正方形(L×L)觸點幾何形狀即觸點寬度和觸點間距相同的薄膜的電學(xué)測量。圖13示意性地表明對具有矩形(L×w)觸點幾何形狀即觸點寬度(w)和觸點間距(L)不相同的薄膜的電學(xué)測量，在這種情況下，如果w＞＞L，測量被平均分成如圖12所示的w/L那樣的正方形，因此對最早的電傳導(dǎo)開始是敏感的，從而對總體效果中“最窄的”簇網(wǎng)絡(luò)是敏感的。
滲流是簡單模型的特定名稱，其內(nèi)晶格上隨機分數(shù)為p(0≤p≤1)的點被占據(jù)。簇沉積的薄膜可通過二維晶格模擬(參見圖11)。滲流理論[28]說明了通過連接的點而形成的結(jié)構(gòu)的數(shù)目、尺寸和形狀在無限的正方形系統(tǒng)中，通過連接相鄰的被占據(jù)晶格點而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)較小，當p＜pc時是分離的，當p＞pc時形成無限網(wǎng)絡(luò)，其中pc＝0.5927461是滲流閾值。當為臨界覆蓋度pc時，發(fā)生幾何二級相轉(zhuǎn)變，并且伴隨能量定律和相應(yīng)的臨界指數(shù)以說明諸如相關(guān)長度、得到無限結(jié)構(gòu)的可能性及電導(dǎo)率等數(shù)量特性。
對于有限尺寸系統(tǒng)而言，隨著表面覆蓋度p增大(參見圖18-近似覆蓋度為0.20、0.40、0.60及0.80的滲流L×L薄膜(L～20))，在觸點間存在導(dǎo)電通路的可能性增大。這一點如圖8所示，其中對于不同的正方形系統(tǒng)尺寸(L)，描繪了在不同覆蓋度(p)時觀察到的滲流閾值可能性。在任何給定的覆蓋度時，可能的簇結(jié)構(gòu)的總體中的一些可以形成導(dǎo)電通路，一些不形成導(dǎo)電通路。例如圖17表明可能的具有相同標定的覆蓋度的連接結(jié)構(gòu)(a)和未連接結(jié)構(gòu)(b)。在滲流閾值時，在觸點間的簇網(wǎng)絡(luò)的一些位置存在納米級線狀結(jié)構(gòu)(參見圖1和圖11)，并可觀察到明顯的電傳導(dǎo)開始。這一點表明在圖6中，其中對于沉積在一組觸點間距為1600nm的觸點上的鉍簇(～0.2/s)而言，電流被描繪成為時間的函數(shù)，表明了電傳導(dǎo)開始。
具體參照圖1，示意性地表明了在一對間距為L寬度為w的觸點間沉積的簇。簇可形成各種單獨的結(jié)構(gòu)，在此實施例中，突出表明跨越觸點間空間的單網(wǎng)結(jié)構(gòu)以允許電傳導(dǎo)。在固定的表面覆蓋度p時，隨著L增大，簇形成跨越網(wǎng)絡(luò)的可能性下降。因此，隨著L增大，開始的電導(dǎo)率移至較高的覆蓋度。簇直徑5倍的觸點間距可提供最有效得到線狀結(jié)構(gòu)的途徑。
我們的設(shè)備利用了這種存在的線狀結(jié)構(gòu)通過使用其本身是納米級的觸點間距，整個設(shè)備的性質(zhì)明顯受結(jié)構(gòu)最窄部分的影響，而觸點和其余的簇網(wǎng)絡(luò)(其可包括基本上是連續(xù)的簇薄膜)起較不明顯的作用。
在這些設(shè)備中，量子尺寸效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)特有的其它物理現(xiàn)象可決定網(wǎng)絡(luò)的特性；反過來這些效應(yīng)可決定整個設(shè)備的特性。相似地，無序結(jié)構(gòu)的特性，如較差的定位，可決定設(shè)備的電導(dǎo)率和/或電導(dǎo)率對電場或磁場的響應(yīng)。
在沉積過程中通過監(jiān)測設(shè)備或相鄰設(shè)備的電導(dǎo)率，可能觀察到開始電傳導(dǎo)并當納米顆粒網(wǎng)絡(luò)接近于滲流閾值時(或者就在隧道效應(yīng)中電傳導(dǎo)開始前，或者就在觸點確實被簇連接電傳導(dǎo)開始后)終止沉積。盡管形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，同時網(wǎng)絡(luò)的精確特性是隨機決定的，但是納米顆?？稍谟|點間形成一條或多條連接和/或未連接的通路，從而構(gòu)成電設(shè)備。
本發(fā)明的特征是在接近滲流閾值時觸點間存在一條線狀通路或較少量通路。因此不需要單獨地分離或控制顆粒，或使用復(fù)雜的制造技術(shù)以形成較窄的線。通過所沉積顆粒的大小可控制線的寬度。
通過我們對滲流理論的研究及其對此問題的應(yīng)用，我們確定觸點間的空間是特別優(yōu)選的(矩形)幾何形狀時可在滲流閾值時形成納米線狀結(jié)構(gòu)。因為在具有較小觸點間距的矩形系統(tǒng)中滲流閾值改變到更低的覆蓋度，并且在較大系統(tǒng)中通常觀察到約60％的表面覆蓋度，所以可形成納米線結(jié)構(gòu)。因此，當簇網(wǎng)絡(luò)在觸點間形成第一連接線時，總表面覆蓋度是～20％這意味著在觸點間僅允許有相對直接的通路。
我們已經(jīng)確定了滲流閾值的變化對于較大系統(tǒng)覆蓋度約為0.6，對于較小觸點間距的系統(tǒng)覆蓋度約為0.2。通過在顆粒沉積過程中監(jiān)測電觸點間的電導(dǎo)率，很容易觀察到在觸點間的第一連接線。對于任何給定的觸點間距而言希望在不同的覆蓋度時發(fā)生滲流閾值。因此當在觸點間形成連接時，可從滲流閾值相對系統(tǒng)尺寸的曲線圖中確定所沉積顆粒的覆蓋度。這一點可使得在亞單層階段監(jiān)測薄膜的厚度成為可能。這種監(jiān)測可以局部地并實時進行。利用現(xiàn)有技術(shù)對亞單層顆粒沉積進行局部實時的監(jiān)測是困難的或者是不可能的。
PeCAN技術(shù)的一個優(yōu)點是其允許以最簡單可能的方式利用最小光刻過程形成納米線。其也允許形成于其內(nèi)在觸點間實現(xiàn)多于一個連接的設(shè)備及于其內(nèi)更復(fù)雜的滲流網(wǎng)絡(luò)是其活動核心的設(shè)備。PeCAN技術(shù)也可被用于形成沉積控制系統(tǒng)(如下所討論的)。
盡管所形成的納米線直徑是納米級的，但是由于觸點的幾何形狀必須接近于矩形的觸點空間，所以對于PeCAN設(shè)備而言觸點襯墊的大小相對較大。為最優(yōu)化納米線的形成，約5個簇的間距是觸點間距所需要的，并且所需要的觸點長度較大(約30000個簇)。即使當折疊成最緊縮的幾何形狀，觸點也可填進40微米乘40微米的區(qū)域(相應(yīng)于50nm的簇和200nm的觸點間距)，所以整個設(shè)備的尺寸明顯大于設(shè)備的活性元件，即納米線。因此，對于形成需要極小的最終整個設(shè)備大小的設(shè)備而言，如集成電路上的晶體管，PeCAN設(shè)備不是理想的。
然而，形成PeCAN設(shè)備的簡單性對于形成需要較小的活性元件即納米線而整個設(shè)備的尺寸不是關(guān)鍵性設(shè)備而言例如磁場傳感器或化學(xué)傳感器是有吸引力的。
b)模板簇組裝的納米設(shè)備(下文稱為TeCANs)及相關(guān)方法除了在適宜的基底上沉積簇和制造電觸點外，其中該基底被蝕刻(或其它的形成圖案方式)以增強納米顆粒鏈的形成，本方法依賴于和PeCAN設(shè)備相同的技術(shù)。
已經(jīng)確定當較小顆粒形成足夠光滑的表面時，它們可以擴散。顆粒將擴散到撞擊缺陷或其它的顆粒為止對于到達表面的足夠小的顆粒流而言，顆粒在缺陷處凝聚而不會彼此發(fā)生明顯的凝聚。TeCAN是基于可設(shè)計適合的缺陷以實現(xiàn)將簇凝聚成納米線的構(gòu)思。
更復(fù)雜的TeCAN技術(shù)需要光刻處理的附加過程以在電觸點間產(chǎn)生表面形狀。TeCAN設(shè)備可用于先前所討論的PeCAN設(shè)備的所有應(yīng)用中，但是這種技術(shù)允許形成總體尺寸更小的設(shè)備。因此，TeCAN設(shè)備更適合于需要高密度設(shè)備的應(yīng)用中，例如晶體管。
在優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明包括使用標準的光刻技術(shù)以在一對電觸點間形成一個或多個V型槽(參見圖28、圖29和圖31)。V型槽的平直側(cè)面允許簇擴散到V型槽的頂點，并且在那里定位。因此它們將逐漸凝聚而沿著V型槽的頂點底部形成納米線。這種技術(shù)的優(yōu)點之一是V型槽在槽的端部形成直角棱面的固有趨向允許從四個觸點形成納米線。在多種應(yīng)用中這可能是重要的。
如上所討論的，我們通過測量開始電傳導(dǎo)可以監(jiān)測在V型槽中納米線的形成(參見圖31)?？蛇x擇地，線可被形成，并且就在其形成后測量其電傳導(dǎo)。
應(yīng)該注意，盡管所討論的V型槽形狀是本發(fā)明優(yōu)選的形式，但是其它形式的表面形狀也包括在本發(fā)明的范圍中。
擴散/溫度因素PeCAN技術(shù)的一個要求是當簇形成于電觸點間的絕緣表面上時它們不會明顯移動。這對于相對較大的簇(直徑大于約10納米)而言幾乎總是成立的，即使是在室溫。對于較小簇而言，或是在較少的情況下即使較大簇穿過相關(guān)的絕緣表面擴散，但樣品在沉積也能冷卻以消除表面擴散前。相比較而言，TeCAN技術(shù)依賴表面擴散形成納米線，所以可移動的較小簇是優(yōu)選的。表面的溫度控制也能用于改變簇的擴散能力，例如允許簇在表面擴散，否則在表面上簇是穩(wěn)定的(適用的溫度范圍受簇的熔點的限制)。由于對簇的擴散進行了相對較少的研究，所以可應(yīng)用TeCAN技術(shù)的各種簇/基底的組合仍是不清楚的。然而，眾所周知諸如砷化鎵和硅的半導(dǎo)體系統(tǒng)可適用于形成V型槽，并且可預(yù)期晶格常數(shù)不同于基底的簇材料可使得簇擴散，特別是對于較小簇尺寸而言。相比較而言，PeCAN技術(shù)可用于幾乎任何的簇/基底組合。
C.本發(fā)明的應(yīng)用由本發(fā)明方法形成的納米線的重要特征在于通常它們對于許多不同的外部因素(如光、溫度、化學(xué)品、磁場或電場)是敏感的，反過來可產(chǎn)生許多應(yīng)用。本發(fā)明設(shè)備可應(yīng)用于許多應(yīng)用的任何一種應(yīng)用中。該設(shè)備的應(yīng)用包括但不限于-晶體管或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備下面說明的許多設(shè)備允許使用與場效應(yīng)晶體管相似的方式進行轉(zhuǎn)換。圖14、圖15和圖30表明了這類設(shè)備。圖14示意性地表明了一種三端設(shè)備，門極和其它觸點間的距離G可以變化以測量觸點的功能。圖15示意性地表明四端設(shè)備，其中觸點具有相似的間距，一旦形成一條連接線就可測定觸點的功能。
許多研究小組已用電子束光刻技術(shù)并在電觸點間布置單通路碳納米管(簡單稱為納米線)而制造晶體管(例如參見[1])，并且此晶體管表現(xiàn)出與大多數(shù)集成電路中所用的硅MOSFET設(shè)備相近的跨導(dǎo)值。PeCAN和TeCAN技術(shù)都可用于在觸點對之間形成等價的導(dǎo)電納米線。這種線也可看作是對碳納米管晶體管中碳納米管的直接取代。使用PeCAN或TeCAN技術(shù)形成這些設(shè)備的優(yōu)點是這些技術(shù)不需要使用較慢和繁重的布置納米線的控制技術(shù)。使用PeCAN和TeCAN技術(shù)納米線可自動地連接到電觸點，并且在使用TeCAN技術(shù)的情況下，納米線的位置是可預(yù)先確定的。
在所有情況下，提供第三(門極)觸點以控制通過納米線的電流是至關(guān)重要的。在用TeCAN和PeCAN技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的情況下，上部門極(參見圖30)和下部門極技術(shù)的使用也應(yīng)考慮。然而，優(yōu)選實施方案使用帶有同納米線在同一平面內(nèi)或接近在同一平面內(nèi)的第三觸點的TeCAN設(shè)備(參見圖14和圖15)。在這種情況下，TeCAN基晶體管與上面討論的碳納米管晶體管[1]非常相似。
優(yōu)選實施方案的設(shè)備是其中半導(dǎo)體納米顆粒如鍺簇被引至蝕刻在基底中的V型槽(或多個V型槽)頂點的設(shè)備，該基底可以是不同的半導(dǎo)體，如硅或砷化鎵，或者可能是相同的半導(dǎo)體但是帶有薄氧化物層以使納米線和該基底絕緣。更優(yōu)選實施方案的設(shè)備包括金屬簇線，如鉍或鎳納米線。
-沉積控制系統(tǒng)如上所述，在矩形滲流系統(tǒng)中滲流閾值(開始電傳導(dǎo))隨系統(tǒng)尺寸的變化可以提供感測帶有預(yù)定平均表面覆蓋度的簇薄膜形成的方法。
有許多方法(工業(yè)和科學(xué)研究中)將納米級(或較大)顆粒沉積在基底上。至于用于測量沉積薄膜厚度的最通用方法是石英晶體沉積速率監(jiān)測儀。這種傳感器依賴于石英固有的振蕩頻率隨沉積材料厚度的變化。盡管這種技術(shù)已被確立并且是高度可靠的，但是它遇到了許多問題。首先是難于監(jiān)測非常小的薄膜厚度。其次，除非顆粒束有較大的直徑，不然只能經(jīng)常交替以對沉積到樣品上的顆粒束或者沉積過程進行監(jiān)測，即必須移動沉積監(jiān)測儀或者樣品以允許接近另一個。當從分子束沉積顆粒時這種情況幾乎總是成立的。第三，在這些傳感器中通常使用的石英晶體通常是8-10mm的寬度，因此僅可能對穿過傳感器區(qū)域的沉積厚度進行平均測量。
PeCAN技術(shù)允許在較高定位水平實時監(jiān)測亞單層階段所沉積的樣品薄膜厚度，而不需要移動樣品或監(jiān)測儀。
PeCAN沉積控制的構(gòu)思在于在許多應(yīng)用中它是在樣品上構(gòu)造交叉電觸點的簡易過程，而在觸點上可以沉積簇(或者更大的顆粒)。例如，通過制造用于單電子晶體管中的觸點結(jié)構(gòu)和彼此足夠接近的交叉觸點對可將納米顆粒沉積成單電子晶體管，而對其監(jiān)測是可能的。適當選擇間距和交叉觸點間空隙的長度可將起始電傳導(dǎo)移至特定的薄膜厚度并可確定測量的精度(參見圖21、圖22、圖23)。通過簡單的電流感測裝置可監(jiān)測開始的電傳導(dǎo)，然后并閉閘門，這樣就可在預(yù)定的平均覆蓋度時終止納米顆粒的沉積。
沉積監(jiān)測儀只能使用一次，但設(shè)備的制造很便宜，因而一次性使用也不成為問題。顯然地，如果不可能將傳感器安置在沉積顆粒的基底上，那么可使用在其本身基底上制造的單獨(stand-alone)傳感器。
需注意除了純粹的導(dǎo)電納米顆粒沉積之外，可在多種情況下應(yīng)用沉積監(jiān)測系統(tǒng)。例如眾所周知在溶液中配體涂布的納米顆?？梢跃奂?即沉淀或沉積)到置于溶液中的基底上。即使納米顆粒間的電傳導(dǎo)依賴于隧道效應(yīng)(由于存在配體)，但是在多數(shù)情況下將有大到足以觀察到的電流流動。這種信號將用于控制沒有形成導(dǎo)電連接線的顆粒的沉積。
最后我們注意到沉積控制構(gòu)思可延伸到圖21、圖22和圖23所示的表面覆蓋度之外，(即p＝0.2-0.6)，只要顆粒的流動隨時間變化而足夠穩(wěn)定。例如如果所需要的表面覆蓋層是Y單層，但是用于觀察電傳導(dǎo)開始的是在X單層的交叉指部裝置，那么所需要的時間是Y/X乘以觀察電傳導(dǎo)開始的時間。因此，我們的沉積系統(tǒng)可以用于廣泛的需要精確控制納米顆粒薄膜沉積的工業(yè)應(yīng)用中，即使薄膜具有較大的厚度。
-磁場傳感器.
許多工業(yè)應(yīng)用中需要磁場傳感器，但是在這里我們集中于它們作為存儲在高密度硬盤驅(qū)動器上的磁信息或者其它的磁存儲信息的傳感器的特定應(yīng)用，只要適合的較小磁場傳感器必須用作記錄頭。其原理在于記錄頭中的活性元件越小其越敏感，并且在硬驅(qū)動器上的信息位數(shù)越小，數(shù)據(jù)存儲密度越高。
磁致電阻通常表示為零磁場下的電阻百分比，并且MR是用于代表記錄頭效力的指標。適合的納米線已被證實對于磁場有高度敏感性即可得到較大的磁致電阻(MR)。例如，近來已報道稱鎳納米在室溫下具有超過3000％的MR。[29]這遠遠超過當前商業(yè)生產(chǎn)中GMR效應(yīng)記錄頭設(shè)備的MR。
基于PeCAN或TeCAN技術(shù)的記錄頭的活性部分應(yīng)是簇組裝的納米線，例如由在適合的觸點間簇沉積形成的鎳或鉍納米線(圖14、圖15、圖26和圖30表明了相似的設(shè)備)。需注意記錄頭的分辨率是由納米線的尺寸控制而不是由整個設(shè)備的尺寸控制(即觸點大小不必然是重要的)，所以用PeCAN技術(shù)得到較高敏感性的記錄頭也是可能的。PeCAN或TeCAN設(shè)備中記錄頭所需要的較高磁致電阻的控制機理是自旋相關(guān)的電子穿過線內(nèi)尖銳疇壁的輸送[29]，或者是眾多其它效應(yīng)(或這些效應(yīng)的組合)中的任何一種，如弱或強定位性、電子聚焦、制造簇的材料的基本性質(zhì)(例如據(jù)報道鉍納米線有較大的MR值)。
此外，我們注意到對于形成適合的敏感記錄頭而言明確界限的納米線不是重要的。由于從磁存儲信息中磁場使電子發(fā)生磁聚焦的可能性或者其它的磁致抵抗效應(yīng)，所以也可以使用更復(fù)雜簇網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。在將電子聚焦于除了源極和汲極之外的電觸點和/或聚焦于簇網(wǎng)絡(luò)終端的情況下，可對與在某些彈道半導(dǎo)體設(shè)備中得到的磁致電阻相似的磁致電阻(在源極和汲極間測得的)產(chǎn)生極強的調(diào)節(jié)作用。
-化學(xué)傳感器.
在參考文獻[6]中討論的設(shè)備證實較窄的線可用于化學(xué)傳感器中，并且由于在本發(fā)明設(shè)備的最窄部分中形成的較窄線的響應(yīng)得到相似的化學(xué)靈敏度是可能的。已經(jīng)證實非常窄的線即具有納米直徑的線，不管其是否表現(xiàn)出量子電導(dǎo)，其電導(dǎo)均可由附著在線表面上的分子強烈地調(diào)節(jié)。這一點可由波函數(shù)溢出或?qū)€表面化學(xué)修飾來實現(xiàn)。線電導(dǎo)的強烈調(diào)節(jié)可導(dǎo)致較高的化學(xué)靈敏度。
在PeCAN和TeCAN設(shè)備中形成的納米線及較大的并在網(wǎng)絡(luò)的某點處帶有關(guān)鍵電流通路的簇網(wǎng)絡(luò)對于化學(xué)傳感應(yīng)用都是有用的。這些應(yīng)用可用于工業(yè)處理控制中、環(huán)境感測中、產(chǎn)品測試中或其它多種商用環(huán)境中的任一種中。
優(yōu)選實施方案的設(shè)備是與圖26所示相似的設(shè)備，其使用對特定化學(xué)物質(zhì)敏感的簇材料。專有性是有用的，即理想的是使用僅能感測相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)而不感測其它化學(xué)物質(zhì)的材料，但是這種材料是稀少的。
優(yōu)選實施方案的化學(xué)感測設(shè)備是PeCAN或TeCAN納米線的陣列，并且每個納米線是由不同材料形成的。在這種情況下，每個設(shè)備作為單獨的傳感器，并且可由適合的計算機控制軟件記錄傳感器的陣列以測定被感測的氣體或液體材料的化學(xué)成分。盡管許多其它的材料也同樣適用，但優(yōu)選實施方案的設(shè)備使用形成在金屬電觸點間的導(dǎo)電聚合物納米顆粒。
更優(yōu)選實施方案的設(shè)備是處于絕緣材料中由PeCAN或TeCAN技術(shù)形成的納米線，其本身是化學(xué)敏感的。然后，引起絕緣覆蓋層變化的化學(xué)物質(zhì)將使納米線的電導(dǎo)率發(fā)生變化。更優(yōu)選的實施方案的設(shè)備是使用包圍納米線的絕緣或惰性覆蓋層，并且在納米線上方帶有化學(xué)敏感層，例如適合的導(dǎo)電聚合物層(即與圖30相似，但是帶有用化學(xué)敏感的聚合物層代替的門極)。然后通過加入適合的化學(xué)物質(zhì)影響導(dǎo)電聚合物，在導(dǎo)電聚合物層中電學(xué)性質(zhì)的變化與門極的作用相似，從而可引起經(jīng)過納米線的電傳導(dǎo)變化。當前生產(chǎn)中相似的設(shè)備被稱為CHEMFETs。
-發(fā)光或檢測設(shè)備如上所討論的設(shè)備(特別是與圖26中示意性表明的設(shè)備相似的設(shè)備)可以利用納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)得到如下設(shè)備該設(shè)備可響應(yīng)或發(fā)射包括紫外光、可見光或紅外光的任何特定波長或波長范圍的光，從而形成光電探測器或發(fā)光二極管、激光或其它的電致發(fā)光設(shè)備。
基于硅技術(shù)的CCD已被證實是電子圖像中的市場領(lǐng)導(dǎo)者。PeCAN或TeCAN形成的陣列同樣可用作用于圖像目的光電探測器中。這種陣列可應(yīng)用于數(shù)碼相機和多種其它技術(shù)中。
優(yōu)選實施方案的PeCAN或TeCAN光電探測器是半導(dǎo)體納米線，例如用硅納米顆粒形成的其電導(dǎo)強烈受光影響的線。在這種情況下，在每一端帶有歐姆觸點的半導(dǎo)體納米線是適合的，但也許可能與對應(yīng)的一對摻雜觸點相連的線是更有效的。圖26表明優(yōu)選實施方案的示意性形式-基于簇鏈的光電二極管。觸點的選擇(歐姆或者肖特基)顯著影響設(shè)備對光的響應(yīng)。通過選擇簇和/或簇組裝線的直徑，可以變換設(shè)備響應(yīng)的光的波長，這一點特別適于其內(nèi)量子局限效應(yīng)可強烈改變有效能帶隙的半導(dǎo)體納米顆粒的情況?？梢灾圃煜嗨频脑O(shè)備用以發(fā)光。構(gòu)成p-n結(jié)的半導(dǎo)體量子線(例如觸點1和觸點2制成p型和n型)可發(fā)光，并且如果構(gòu)成適合的結(jié)構(gòu)也可得到激光。
由于晶體管類設(shè)備(參見上面的)特別適于與外部或其它的單片電子電路連接，所以它們最適于作為光傳感器。
通過選擇簇和/或簇組裝線的直徑，可以變換設(shè)備響應(yīng)的光的波長，這一點特別適于其內(nèi)量子局限效應(yīng)可強烈改變有效能帶隙的半導(dǎo)體納米顆粒的情況。
可以制造與上面所討論的相似的設(shè)備用以發(fā)光。構(gòu)成p-n結(jié)的半導(dǎo)體量子線(例如觸點1和觸點2制成p型和n型)可發(fā)光，并且如果構(gòu)成適合的結(jié)構(gòu)也可得到激光。
-溫度傳感器此設(shè)備特殊的性質(zhì)包括電導(dǎo)率隨溫度快速和較高的重現(xiàn)性變化，從而可用作溫度傳感器。在這種情況下適用的設(shè)備示意圖如圖14、圖15、圖26和圖30所示。
上述列出的可能應(yīng)用可以按多種不同的方式實施，這些方式具體的實施例包括下面的(其也包括在本發(fā)明范圍內(nèi))i)如圖1和圖13所示，如在定義部分所定義的那樣，觸點被排列成觸點間距L比觸點寬度w小的設(shè)備，理想的是w＞＞L。簇或納米顆粒沉積在按這種方式排列的觸點上得到了多個平均為L×L的正方形(簡化的圖示)，在每個正方形中納米顆粒結(jié)構(gòu)隨機分布。在一個正方形中，在不能預(yù)先測定的覆蓋度時發(fā)生電傳導(dǎo)開始，即電傳導(dǎo)開始可被隨機測定(圖8和圖17)。所述觸點排列本身被平均分成許多這種正方形，因而確保開始的電傳導(dǎo)發(fā)生在相對較低的覆蓋度是可能的。這些可得到包括與圖1所示相似的簇鏈結(jié)構(gòu)，或與圖11所示相似的帶有最窄的點包括單個簇或簇鏈的簇網(wǎng)絡(luò)。此設(shè)備和下面所述的每個設(shè)備可以按AC或DC或脈沖模式工作。
ii)較大的設(shè)備，由兩個或多個如1中所述的設(shè)備組成，用于更好地控制沉積過程，或者用于構(gòu)成具更佳性能或不同性能的設(shè)備，或者是一個或多個此設(shè)備用于控制在一個或多個其它設(shè)備中的薄膜厚度。圖7是這樣的實施例，其中表明了雙層觸點排列和測量電路(上面的)。這一點可用于在相同的實驗過程中觀察滲流閾值(下面的)。電阻R(～10兆歐姆)限制了通過較小間距觸點的電流，所以允許觀察第二次開始。
iii)通過監(jiān)測例如觸點間距為L1的設(shè)備中的電傳導(dǎo)開始(通過皮可安培計或其它的電流測量裝置)并用閘門控制沉積，可以控制不同觸點間距L2的第二個設(shè)備中的表面覆蓋度。較高的精確度及局部實時監(jiān)測在沉積速率監(jiān)測儀中不是經(jīng)常使用的，所以這些設(shè)備對單層或亞單層水平中的薄膜厚度可提供特殊的敏感監(jiān)測。在L2＞L1的情況下，這種技術(shù)將在第二個設(shè)備中產(chǎn)生可控制的表面覆蓋度(薄膜厚度)，即使這個設(shè)備仍是不導(dǎo)電的(即在滲流閾值以下簇沒有在觸點間形成連接線)。通過仔細選擇L1，在第二對觸點間形成連接通路或未連接通路是可能的。需注意由于滲流閾值加寬和有限的尺寸效應(yīng)，當觸點間距較小時，即當觸點大小與沉積的顆粒大小或通過在表面上凝聚或擴散所形成的顆粒大小的比降到約100以下時，在L×w系統(tǒng)中的滲流閾值和導(dǎo)電性的開始將移至較小的覆蓋度。這表明在圖5中，其中歸一化的臨界薄膜厚度dC(L)/dC( )被表示成系統(tǒng)尺寸L(觸點間距)的函數(shù)。方程式γtC(L)/tC(3200nm)-1∝L-z是對實驗數(shù)據(jù)的擬合；γ＝tC(3200nm)/tC(∞)和z是擬合參數(shù)；繪圖數(shù)據(jù)是tC(L)/tC(∞)≡dC(L)/dC(∞)。
iv)如1中所述的設(shè)備，其中兩個或多個相等或不等間距的觸點被排列在任何圖案中，并且觸點可以是任何形狀的，包括交叉、正規(guī)或非正規(guī)排列。如圖4所示，關(guān)于這一點，由于交叉排列的觸點可提供緊湊的幾何結(jié)構(gòu)并綜合1和2中所述的設(shè)備，所以其已被廣泛地用在我們的工作中。圖4表明了放大50倍的雙層觸點排列(左)，其代表由光刻技術(shù)形成的粘合襯墊，也表明了放大1000倍的雙層觸點排列(右)，其代表由EBL形成的交叉觸點。觸點間距是800nm(上層)和3200nm(下層)。然而應(yīng)該理解，也可以使用觸點間是正方形或矩形空間及任何其它形狀的空間。
v)圖14表明了帶有簇網(wǎng)絡(luò)的基本的3端設(shè)備，其允許電流通過2個觸點(標為源極和汲極)。通過增大距離G(即比源漏間距大)，增大薄膜不與第三觸點連接的機會是可能的，從而可控制電流流動。通過改變觸點間距和幾何形狀可測定任一對觸點間連接的可能性。這種設(shè)備與場效應(yīng)晶體管相似(FET)施加到門板的電壓從連接通路吸引(排斥)電子，從而增大(減小)簇鏈的電導(dǎo)率，并啟動(關(guān)閉)設(shè)備。
vi)圖15表明4端設(shè)備，其中四個觸點間的間距相似。預(yù)先不能知道哪個觸點將被形成的第一簇鏈連接。然而，一旦形成鏈，在此情況下是觸點1和3，并在原位監(jiān)測中觀察開始的電傳導(dǎo)，那么通過電學(xué)詢問觸點可以測定作為源極和汲極(在這種情況下是1和3)及作為門極(在這種情況下是2和4)的觸點。得到的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是FET。
vii)在圖15中，如果觸點2和4是由沒有對網(wǎng)絡(luò)形成歐姆(即導(dǎo)電接觸)的材料組成的，那么這些觸點將預(yù)定為門極，并且觸點1和3作為源極和汲極。在此實施例中，觸點2和4可用公知可對簇網(wǎng)絡(luò)形成肖特基接觸的材料構(gòu)成，或由已被已氧化以形成隧道勢壘的如鋁或硅材料構(gòu)成。在此實施例中，可在沉積前測定接觸襯墊的功能。
viii)如圖27所示，在基底上制備氧化物或其它絕緣層，然后利用光刻技術(shù)形成一個區(qū)域，基本上僅有到達此區(qū)域上的簇才能參與簇網(wǎng)絡(luò)的形成。圖27表明了一種示意性的設(shè)備(與圖9所示的相同，但是和所有設(shè)備的原理相同)，其一部分已被絕緣層涂布(較輕的中心區(qū)域)，因此到達此區(qū)域的簇不與電觸點相連。僅有到達窗口(沒用氧化物涂布)的簇可連接上方和下方觸點。按這種方式可將設(shè)備彼此絕緣，并可預(yù)先確定觸點的功能。在這個說明中，絕緣涂層覆蓋了門極觸點，并將其與簇薄膜絕緣。通過用本身可氧化的材料(如鋁)制造觸點，也可實現(xiàn)觸點的絕緣。這種技術(shù)可用于預(yù)先確定一個或多個觸點是門極觸點或歐姆觸點的功能。
ix)任何如上所述的設(shè)備，如圖30所示，其可全部地或部分地被氧化物或其它絕緣層覆蓋，并形成上部門極以控制通過簇組裝結(jié)構(gòu)的電子的流動，由此得到場效應(yīng)晶體管或其它放大或轉(zhuǎn)換設(shè)備。
x)任何如上所述的設(shè)備，其制造于絕緣層的上方，其本身是在作為門極的導(dǎo)電層的上方，其可控制通過簇組裝結(jié)構(gòu)的電子的流動，由此得到場效應(yīng)晶體管或其它放大或轉(zhuǎn)換設(shè)備。
xi)任何如上所述的設(shè)備，其中實現(xiàn)了基于自旋傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換或放大，由此制得自旋閥晶體管。
xii)該設(shè)備可用鉍簇來制造，或者同樣地可使用眾多納米顆粒制備技術(shù)中的任一種形成的任何種類的納米顆粒來制造，或者用任何元素或合金制造。由于鉍簇在體材料中較低的載體濃度和較長的平均電子自由程，所以其是特別令人感興趣的。其它可用于有用設(shè)備中的明顯候選材料包括硅、金、銀及鉑納米顆粒。該設(shè)備也可用合金納米顆粒形成，如GaAs和CdSe。納米顆?？捎扇魏位瘜W(xué)元素或這些元素的任何合金形成，不管它們在室溫大量(宏觀)形式時是超導(dǎo)體性的、半導(dǎo)體性的、半金屬性的或者是金屬性的。納米顆粒可由導(dǎo)電聚合物或者導(dǎo)電的無機或有機化學(xué)物質(zhì)制得。相似地，觸點之一或者兩個觸點和/或納米顆?？梢允氰F磁性的、鐵磁性的或者是抗鐵磁性的?？梢允褂孟嗬^沉積或共同沉積的兩種或更多種的納米顆粒，例如半導(dǎo)體和金屬顆粒共同沉積或者鐵磁性和非磁性顆粒共同沉積。帶有磁性元件的設(shè)備可以產(chǎn)生“自旋電子(spintronic)”行為，即自旋傳輸行為。穿過線內(nèi)尖銳疇壁[29]或線和觸點間的自旋相關(guān)的電子輸送可產(chǎn)生較大的磁致電阻，而可用在磁場傳感器的商業(yè)應(yīng)用中，如硬驅(qū)中的記錄頭。
xiii)任何如上所述的設(shè)備，其中簇薄膜包括碎片狀、雪花狀或其它不均勻的結(jié)構(gòu)，它們都包括規(guī)則或不規(guī)則的顆粒陣列。此類結(jié)構(gòu)可以通過表面凝聚或顆粒穿過基底表面的擴散而在觸點間組裝(例如參見討論顆粒表面擴散的參考文獻[11，12，13，14])。同本文公開的所有其它設(shè)備一樣，為控制顆粒擴散、顆粒熔合或任何其它的原因，在沉積過程中可以控制基底溫度。一般而言，光滑的表面和較高的基底溫度可以促進顆粒擴散，而粗糙表面和較低的基底溫度將抑制擴散。納米顆粒的熔合及擴散是與材料相關(guān)的。
xiv)任何如上所述的設(shè)備，其中在沉積過程中在觸點間施加電壓，從而流動的電流可改變顆粒的連接性、設(shè)備的導(dǎo)電性或者薄膜的形態(tài)。這種施加的電壓可以允許在通常沒有連接線存在的情況下在表面覆蓋層的觸點間形成導(dǎo)電通路(參見圖32，其表明在施加偏壓下明顯的電傳導(dǎo)開始)，或者相反引起先前存在的導(dǎo)電通路中斷。圖24和圖25表明歐姆低電壓行為和在較高偏壓時一系列更適度的臺階?？墒褂门c設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)的電阻、二極管或其它電路元件來調(diào)節(jié)電流流動，從而控制薄膜性質(zhì)的變化。
xv)任何如上所述的設(shè)備，其中薄膜處于氧化物或其它非金屬或半電體薄膜中以保護它和/或增強它的性質(zhì)(例如參見圖30)，例如改變設(shè)備的介電常數(shù)。為增強、控制或測定設(shè)備的導(dǎo)電性，覆蓋層可以用離子植入或沉積摻雜劑的其它方式進行摻雜。
xvi)任何如上所述的設(shè)備，其中為了實現(xiàn)將沉積的顆粒接合或任何其它的原因薄膜已被退火。
xvii)任何如上所述的設(shè)備，其中納米顆粒的組裝受抗蝕劑或其它有機化合物的影響，不管它在沉積或凝聚過程之前或之后是否被曝光或顯影。
xviii)任何如上所述的設(shè)備，其中納米顆粒的組裝受不論是均勻、聚焦、未聚焦或干涉圖案形式的光源或激光束發(fā)光的控制或其它影響。
xix)任何如上所述的設(shè)備，其中顆粒從液體中沉積，包括顆粒被有機材料或配體涂布的情況。
xx)TeCAN設(shè)備，其中通過表面形狀技術(shù)測定特定一對觸點間的連接性，例如通過在觸點間使用V型槽(參見圖28)來引導(dǎo)簇沿著V型槽形成線狀結(jié)構(gòu)(參見圖29)，并在垂直或其它方向中斷連接。圖16表明了其中在觸點1和3之間延伸的V型槽(很大程度地被積聚在谷底的簇遮住)引起觸點1和3作為形成的簇線的歐姆觸點，并引起觸點2和4和線絕緣從而它們作為門極(V型槽的峰用虛線表示，V型槽的谷用實線表示)。
xxi)xx)中所述設(shè)備的更優(yōu)選實施方案，其僅包括一個V型槽并產(chǎn)生一條納米線(圖29)。納米簇可穿過基底擴散，然后在確定的表面形狀上排列[11，12]，從而產(chǎn)生相似的納米線。納米表面形狀技術(shù)(例如蝕刻在Si晶片表面中的V型槽[30]，金字塔形凹陷或其它表面性狀)可迫使簇組裝成納米線。可移動的簇在V型槽表面的擴散可在頂點形成鏈或線。這種構(gòu)思在于昂貴和較慢的納米光刻過程(“自上而下”技術(shù))將僅被用于制備設(shè)備中相對較大和簡單的電觸點及也許形成V型槽。然而，納米顆粒的自組裝(“自下而上”技術(shù))用于形成納米級特征。設(shè)備的核心是納米科技中“自上而下”及“自下而上”技術(shù)的組合。
xxii)xx)和xxi)中所述設(shè)備的更優(yōu)選實施方案，其包括帶有觸點排列的那類設(shè)備，這種觸點排列可對形成在V型槽或倒置金字塔底部的納米線進行歐姆接觸?？梢韵胂蟪龆喾N這樣的結(jié)構(gòu)，包括在V型槽每一端的單金屬觸點(如圖29那樣)、與V型槽垂直的交叉觸點、及在倒置金字塔每個角落的金屬觸點(參見圖31)。
xxiii)具有幾個觸點或端口的設(shè)備，其依靠彈道或非彈道電子傳輸穿過納米顆粒，其依靠磁場效應(yīng)將電子引導(dǎo)進在零磁場中不是最初輸出端口的輸出端口，或依靠任何磁聚焦效應(yīng)。
xxiv)任何如上所述的設(shè)備，其通過沉積被選擇尺寸的簇而形成，或者可選擇地其通過沉積不被選擇尺寸的顆粒而形成。
xxv)任何如上所述的設(shè)備，其通過沉積原子蒸氣或較小的簇而形成，從而產(chǎn)生比沉積的顆粒更大的納米顆粒、簇、絲或其它結(jié)構(gòu)。
D.實驗下面公開了我們結(jié)合具體實施例建立的實驗。
a)光刻根據(jù)計算機模擬，尺寸相關(guān)效應(yīng)在L＝5到L＝80區(qū)域較強，其中L是置于觸點間的簇的數(shù)目?？墒褂玫你G簇的平均尺寸為約60nm，因此觸點間距可達到300nm。標準的光和電子束光刻技術(shù)已被用于在非導(dǎo)電并且非常平坦的SiN表面上制造NiCr和Au觸點。帶有200nm厚SiN絕緣層的商用硅晶片可用作基底。首先，使用標準光刻技術(shù)制造較大面積的NiCr和Au觸點襯墊，然后使用電子束光刻技術(shù)制造間距為300-3200nm的NiCr觸點。
圖4中表明了觸點排列的光顯微鏡圖像。觸點被排列成交叉指狀的圖案，因為這種幾何形狀允許在給定區(qū)域內(nèi)有較大的長寬比。
b)簇形成在沉積系統(tǒng)中可以使用電離的簇和/或質(zhì)量選擇系統(tǒng)，如使用參考文獻[31]設(shè)計的質(zhì)量過濾器和用標準電子束技術(shù)進行簇電離。我們的沉積系統(tǒng)的特征(通常在大多數(shù)真空沉積系統(tǒng)中沒有使用，如參考文獻27中的設(shè)計)是使用穿進沉積室的電連接件，以允許在沉積過程中對設(shè)備進行電學(xué)測量。這種連接件是由大多數(shù)經(jīng)營真空設(shè)備的公司可供應(yīng)的標準商品。
我們的優(yōu)選設(shè)備是參考文獻[32]中所述的實驗設(shè)備的變更形式。鉍簇是在惰性氣體濃縮源中生成的。在源氣室中，金屬被加熱并在850攝氏度的溫度下蒸發(fā)。室溫的氬氣與金屬蒸氣及簇核混合并開始生長。簇/氣混合物經(jīng)過兩個不同的抽吸階段(從在源氣室中的～1托下降到在主室中的～10-6托)，這樣大部分氣體可被抽吸出?；旌鲜ㄟ^直徑約為1mm、孔徑角約為0.5度的管口進入主室。在樣品中簇束的直徑約為4mm。為了測定簇束的強度，需使用石英晶體沉積速率監(jiān)測儀。在沉積過程中樣品放在可活動的桿上，并放在石英沉積速率監(jiān)測儀的前面。
需注意源氣參數(shù)的具體范圍不是重要的簇可在大范圍的壓力(0.01托～100托)和蒸發(fā)溫度下制備，并在1～10-12托內(nèi)的任意壓力下沉積。任何惰性氣體或惰性氣體的混合物可用于引起凝聚，任何可被蒸發(fā)的材料都可用來形成簇。通過氣壓、氣體類型、金屬蒸發(fā)溫度和用來連接不同壓力下降室的管口尺寸的相互影響可決定簇的大小(c)沉積過程中的測量測量電路的核心是分辨率為10-15A的Keithley 6514靜電計。因此，電流分辨率的限制因素是系統(tǒng)中的噪聲。與電流無關(guān)的輸出電壓為1.21V的電壓源可供應(yīng)所需要的穩(wěn)定電勢。
在沉積過程中測量設(shè)備中的電流流動對于幾種設(shè)備設(shè)計的實現(xiàn)是重要的。
(d)滲流理論跨越觸點的簇網(wǎng)絡(luò)存在可能性的計算及滲流網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率簇沉積薄膜的簡單模型是二維的正方形晶格，其中隨機分數(shù)為p(0≤p≤1)的晶格點被占據(jù)。連接結(jié)構(gòu)的數(shù)目、尺寸和形狀由滲流理論[33]說明在無限系統(tǒng)中，通過連接相鄰被占據(jù)的晶格點產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)較小，且當p＜pc時是分離的，當p＞pc時形成無限網(wǎng)絡(luò)，其中pc＝0.5927461是滲流閾值。當為臨界覆蓋度pc時，發(fā)生幾何二級相轉(zhuǎn)變，并且伴隨能量定律和相應(yīng)的臨界指數(shù)以說明諸如相關(guān)長度、得到無限結(jié)構(gòu)的可能性及電導(dǎo)率等數(shù)量特性。根據(jù)普遍性的假設(shè)[34]，臨界指數(shù)僅取決于單個模型的幾個基本性質(zhì)(尺寸、相互作用的種類)，因此從非常簡單的模型得到的臨界指數(shù)數(shù)值可以應(yīng)用到更復(fù)雜的或?qū)嶒炐缘南到y(tǒng)中。[35]即使在實驗中簇沒有形成正方形的格子并且尺寸不均勻，但是普遍性假設(shè)(當然實質(zhì)上仍模擬文獻)表明我們的簡單模擬(均勻簇、正方形格子)對于許多臨界數(shù)量仍得到相同的值，包括對于相關(guān)長度v的閾值指數(shù)，從而可測定ponset(L)的變化。[然而，發(fā)現(xiàn)某些其它的參數(shù)，如對于電傳導(dǎo)t的閾值指數(shù)，依據(jù)模型[σ(p)∝(p-pc)t]變化。]使用計算機模擬已經(jīng)計算了跨越觸點的簇網(wǎng)絡(luò)存在的可能性ψ(p)及簇沉積薄膜的電導(dǎo)率。通過長時間模擬覆蓋度為p的薄膜，然后計算跨越觸點的模擬結(jié)構(gòu)可計算可能性ψ(p)。通過將電阻分配至每個被占據(jù)的晶格點，然后計算整個電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值可計算電導(dǎo)率。
圖1示意性地表明了矩形樣品，其觸點間距L和觸點寬度w＞＞L(L和w按晶格間距測量)。觸點靠近矩形的長邊側(cè)，所以例如當L＝5時在觸點間僅有5個晶格?？紤]到過程中矩形的隨機特性，所以研究了矩形陣列而不是正方形陣列。對于較小系統(tǒng)而言，統(tǒng)計波動逐漸明顯，因此對于任何數(shù)量的預(yù)期值僅能通過平均許多無關(guān)的樣品來得到。盡管在模擬中平均許多樣品是可能的，但是由于時間限制和從長遠看來得到相同的實驗條件是困難的原因，這在實驗中是不合實際的。然而，我們的矩形結(jié)構(gòu)，本身就平均成w/L的方形，從而允許在單次沉積中收集到較小統(tǒng)計誤差的數(shù)據(jù)。
圖21表示對于各種L×w的矩形系統(tǒng)滲流可能性作為覆蓋度函數(shù)的圖。這是對于各種L×w的矩形系統(tǒng)計算機模擬ψ(p)的結(jié)果，該系統(tǒng)的尺寸和我們實驗中所用的樣品相似(參見表1)。有限尺寸效應(yīng)i是非常明顯的，即對于較小的觸點間距L而言，可在較低的覆蓋度發(fā)現(xiàn)跨越觸點的簇網(wǎng)絡(luò)。
表1實驗中所用的和模擬中所用的樣品的尺寸這些數(shù)字是基于包括交叉指部并且平均簇大小為60nm的最大尺寸為33微米的正方形區(qū)域。
圖2表明計算機模擬的電導(dǎo)率ó(每單位平方歸一化)作為覆蓋度p和觸點間距L(w極大)函數(shù)的結(jié)果，表明了四個不同的系統(tǒng)尺寸L。水平線表明特別選擇的最小可觀察到的電導(dǎo)率σmin，對于正文中所述的每個系統(tǒng)尺寸箭頭指向相應(yīng)的ponset值。
在電導(dǎo)率中有限尺寸效應(yīng)是非常明顯的，即對于較小的觸點間距L而言，可在更低的覆蓋度下測量導(dǎo)電性。有限大小尺度理論[31]表明所有的有限尺寸偏離可通過下面的尺度函數(shù)來計算ó(p，L)＝L-t/ifó((p-pC)L1/i)，(1)對于我們的數(shù)據(jù)而言這確實是成立的(fó是適合的尺度函數(shù)，t是電導(dǎo)率的臨界指數(shù)，i是相關(guān)長度的臨界指數(shù))。
在實驗中可能用幾種方式確定有效的滲流閾值ponset(L)。一種標準的方法是將ponset(L)定義為滲流可能性ψ(p)到達確定水平(例如0.5)時的覆蓋度。如果我們模擬尺寸與實驗中所用的實際樣品相似的L×w系統(tǒng)，那么我們可以得到ψ(p)數(shù)據(jù)[圖21]和ponset(L)數(shù)據(jù)[圖23表明ψ(p)＝0.5時的數(shù)據(jù)]。圖23表明如下的關(guān)系ponset(L)-pC∝L-z(2)其是從簡單的L×L正方形系統(tǒng)中預(yù)測出的，在我們樣品的矩形幾何形狀中保持指數(shù)z＝1/i。
另一種方法是將ponset(L)定義為電導(dǎo)率到達通過安培計測得的最小電導(dǎo)率ómin時的覆蓋度。為直接與實驗對比，我們優(yōu)選在模擬中使用相同的定義。如圖2所示的具有較大w的系統(tǒng)，有效的滲流閾值取決于ómin及系統(tǒng)尺寸L。使用方程式(1)，可以表明在較小ómin限制中方程式(2)形式的尺度關(guān)系保持z＝1/i(其中對于二維晶格而言i＝4/3)。通過計算作為ómin函數(shù)的z模擬結(jié)果可被用來驗證方程式(2)。與常規(guī)L×w系統(tǒng)的滲流閾值相比[36]，其中z＝1/v，圖3表明對于有效的滲流閾值ponset(L)而言作為最小可觀察到的電導(dǎo)率ómin的函數(shù)的尺度指數(shù)z。實線是對數(shù)據(jù)的三次多項式擬合，這種擬合的縱軸截距為z＝0.746±0.006并與預(yù)期的臨界指數(shù)1/i＝0.75一致。這個圖表明僅當ómin0時我們對滲流閾值的定義z1/i，即一般而言z1/i，并且需小心處理以確保可選擇足夠小的ómin。
我們也對尺寸與實驗中所用的實際樣品相似的L×w系統(tǒng)進行了計算(參見表1)。圖22用線性刻度和對數(shù)刻度表明了這些實際L×w樣品的S(p)數(shù)據(jù)，ponset)(L)數(shù)據(jù)描繪在圖23中，其中將它們與常規(guī)滲流閾值所定義的ponset(L)數(shù)據(jù)(從圖21得到)進行了對比。在圖23中ponset(L)按兩種方式定義。菱形代表滲流可能性為0.5時的覆蓋度值。正方形代表電導(dǎo)率為值σmin＝1×10-3時的覆蓋度。pC是在無限系統(tǒng)中到達滲流閾值時的覆蓋度，即0.5927461。用完全不同的方法得到的ponset(L)數(shù)據(jù)給出了相同的指數(shù)值v＝0.75。需注意，由于差ponset(L)-pC非常小，所以較大L時的數(shù)據(jù)相對不穩(wěn)定，因此需要將模擬數(shù)據(jù)平均分成許多組以得到較小統(tǒng)計不確定性的數(shù)據(jù)。
模擬的重要結(jié)果是對于適合寬的觸點(w)和較窄的觸點間距(L)而言滲流閾值改變到低至20％的覆蓋度，這一點也被下面將討論的實驗數(shù)據(jù)所支持。在電傳導(dǎo)開始(即接近有效的滲流閾值)，覆蓋度很低，以至于導(dǎo)電通路必須由與圖1和圖11中示意性所示相似的窄簇組成，即在鄰近最窄部分的簇網(wǎng)絡(luò)中形成帶有有限數(shù)量分支的線狀結(jié)構(gòu)。
e)TeCAN-V型槽的形成下面涉及本發(fā)明TeCAN變形中V型槽的形成。
樣品處理中開始是將氮化物涂布的(層厚通常是100nm)的硅晶片切成8×8mm的基底。為精確地定位<111>面的方向，首先將氮化物層用光致抗蝕劑掩膜干蝕刻以形成分開為2°的徑向狹槽。用按重量計為40％的KOH溶液將這些狹槽在下層硅中轉(zhuǎn)變成V型槽。完成后，通過進一步的光刻和干蝕刻階段，進行設(shè)備的V型槽陣列對測驗狹槽(選擇最接近蝕刻剖面的狹槽)的角對準。使用同樣的KOH溶液形成V型槽陣列。
按這種方式形成的V型槽和相關(guān)結(jié)構(gòu)的實例及用原子力顯微鏡得到的照片表示在圖28、圖29和圖31中。圖28是用KOH蝕刻在硅中的V型槽的原子力顯微照片。V型槽約5微米寬，并是用光刻技術(shù)形成的。這種技術(shù)的優(yōu)點之一是利用電子束光刻技術(shù)允許使得尺寸容易下降。
使用的具體簇/基底對決定了是否V型槽的表面需要用絕緣層涂布以使簇組裝的線和基底之間絕緣。對于某些簇/基底組合將形成肖特基接觸，從而使線和基底的絕緣受到限制。在某些情況下，在基底上的天然氧化物層就可提供足夠的絕緣。如果需要，V型槽的鈍化可按兩種方式實現(xiàn)。目前優(yōu)選的方法是在形成V型槽陣列后立即熱氧化整個基底?？蛇x擇的鈍化方法取決于噴射涂布的氮化硅。
使用光刻或組合的電子束/光學(xué)光刻過程可形成觸點。使用光致抗蝕劑圖案進行起始蒸發(fā)和剝落而留下設(shè)備的指部(＞1μm寬)和延伸穿過3×3mm設(shè)備面積的觸點。設(shè)備的指部位于單個或多個V型槽的上方，用游標尺對準標記可實現(xiàn)亞微米級的公差。當需要亞微米級指部/間隙寬度并且這些特征與第一次光刻產(chǎn)生的墊片對齊時，需使用電子束圖案。最終的蒸發(fā)和剝落允許較大尺度設(shè)備的觸點位于8×8mm芯片的邊緣。圖29表明優(yōu)選實施方案的示例性圖示，其示意性地表明用V型槽的AFM照片產(chǎn)生的簇組裝納米線。觸點的上部和下部與V型槽的頂點對齊，從而與簇組裝的納米線形成電接觸，并引起簇沿著V型槽的平面擴散。左和右觸點與V型槽的邊緣對齊，從而不與簇組裝的納米線電接觸，并使得這些觸點作為門極。如圖30所示，通過在線上方的絕緣上方制造上部門極也可形成晶體管結(jié)構(gòu)，其中表明了FET結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其是首先在簇組裝納米線上方沉積絕緣層然后光刻門極觸點而形成的。納米線可由PeCAN或TeCAN技術(shù)形成。
在優(yōu)選的實施方案中，在簇沉積之前，為使設(shè)備相互絕緣基底需鈍化。這一點可使用組成圖案的噴射涂布的二氧化硅層實現(xiàn)?？墒褂霉饪倘缓笫歉晌g刻技術(shù)而直接在接觸指部/V型槽區(qū)域上方的二氧化硅中開個窗口。如果使用熱氧化來鈍化硅V型槽，那么這種最終的干蝕刻需定時進行以避免基礎(chǔ)氧化層耗盡。
按照PeCAN設(shè)備過程，現(xiàn)在樣品被置于帶有所有必須的設(shè)備觸點的樣品固定器中。在優(yōu)選實施方案中，在簇沉積之后，同時在較高真空下，設(shè)備可用電子束蒸發(fā)的絕緣膜(例如SiOx)密封。這種層可用于防止簇的氧化，或在利用其它的光刻和金屬蒸發(fā)過程制造上部門極之前作為絕緣層。圖30是表明此設(shè)備的示意性圖(未表明V型槽)。
最后，我們注意到TeCAN設(shè)備可利用多種表面形狀形式，并且不限于V型槽。圖31表明“倒置金字塔”底部兩個不同分辨率的原子力顯微鏡圖片。當用KOH蝕刻硅并用圓形或正方形的掩膜或窗口(而不是如上所述的狹槽)時可形成倒置金字塔。得到尺寸非常小并且壁極為平坦的倒置金字塔是可能的(在圖31的下面圖片中隆起是由于AFM圖片的性質(zhì)，而不是代表表面的平坦度)。在優(yōu)選實施方案中，使用電子束光刻技術(shù)在倒置金字塔四個角的每個中形成電觸點，從而允許對沿面的邊緣形成的簇組裝線進行4端測量。這種4端測量對于例如磁場或化學(xué)傳感應(yīng)用中的精確電導(dǎo)率測量是有用的。這些結(jié)構(gòu)中也可以形成上部和/或下部門極。
實施例下面的實施例進一步地闡明了本發(fā)明。
1.光刻過程已使用了光學(xué)和電子束光刻的組合技術(shù)。首先，這種技術(shù)用約40微米的中等間距形成宏觀的粘合襯墊。隨后，EBL形成了兩個觸點的精細結(jié)構(gòu)。所制造觸頭的光顯微鏡圖片參見圖4。
(a)基底的裂開和清潔用于觸點的基底是從標準的0.55mm厚的晶片上切下的平坦正方形硅片，其上帶有200nm厚的氮化硅層，其可提供不導(dǎo)電的非常平坦的表面。
在將晶片切成所需要大小的片后，再清潔基底。通過首先將它們用丙酮，然后用甲醇，最后再用IPA強超聲波浴浸漬可以實現(xiàn)清潔。在IPA之后，在進一步處理之前基底用N2吹干并在95攝氏度下烘15分鐘。
(b)光刻光刻技術(shù)已證實是非常好的形成尺寸小于1微米之下的圖案的過程。UV-敏感性材料(光致抗蝕劑)的薄膜被旋轉(zhuǎn)涂布在基底上、通過適合的掩膜用UV光曝光再顯影。此過程在另外的清潔表面上留下形成的光致抗蝕劑材料圖案。光刻中使用的抗蝕劑是來源于Shipley S1800光致抗蝕劑系列的標準常用的光致抗蝕劑S1813。其以4000rpm的轉(zhuǎn)速在60秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)涂布在基底上，并在95攝氏度下烘25分鐘。隨后基底用UV光(波長430nm)曝光12秒，在MF320顯影劑中顯影約35秒，再在蒸餾水中浸漬。
制備觸點的第一步是形成相對較大的觸點襯墊，線可容易地與其粘合。對于至少為100μm的觸點襯墊而言其兩個平行側(cè)邊相距為40±1μm。襯墊彼此靠近的區(qū)域基本上可以和基底一樣長。然而，由于有時簇束不均勻，因此在經(jīng)較少曝光、更精細的間隙被連接前電傳導(dǎo)可在40μm的間隙內(nèi)發(fā)生，因而臨界區(qū)域應(yīng)盡可能小。為最容易地實現(xiàn)此目的，適合形成的光刻掩膜將是最佳的解決方案。然而當前可用的最佳掩膜僅能形成40μm寬的長線。為了得到所需要的襯墊，首先通過通常的光刻技術(shù)在基底上形成光致抗蝕劑線，然后使用精細的漆刷用抗蝕劑覆蓋基底表面所必須的其它部分。
按這種方法制備基底后，粘合襯墊可被蒸發(fā)于其上。使用金形成襯墊的原因是雙重的。首先和主要的是，對于隨后在電子束光刻中基底的對準可提供較佳的對照，其次將線粘合到相對薄的金層是可能的。由于金本身與SiN粘合的不太好，所以首先必須沉積10-12nm厚的NiCr層。所需要的金層厚度約為50nm。
蒸發(fā)后，剩余抗蝕劑的剝落(用超聲浴溶解在丙酮中)可除掉除了觸點襯墊外的所有沉積的金屬。
(c)電子束光刻EBL過程的原理與光刻非常相似。電子敏感性聚合物是高分子量的聚合物(HMW PMMA)。在曝光時聚合物鏈斷裂成電子并形成低分子量的聚合物(LMW PMMA)，其能被溶解而不會破壞殘余的HMW PMMA結(jié)構(gòu)。因此，在考慮了諸如可限制分辨率的下層表面進料及電子反向散射后，形成尺寸與電子束可被聚焦的最小尺寸一樣小的圖案是可能的。為更有效地應(yīng)用此原理，需使用兩層抗蝕劑程序。其包括首先在基底上旋轉(zhuǎn)涂布4％LMW PMMA溶液，然后是一層2.5％HMW PMMA。(在這兩種情況下，PMMA溶液均以3000rpm的轉(zhuǎn)速在60秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)涂布，并在185攝氏度下烘30分鐘。從而兩層均為約200nm厚)。
在準備抗蝕劑后，基底用電子束曝光。為實現(xiàn)此目的使用了經(jīng)改變的Philips掃描電子顯微鏡(SEM)。圖案可以是相鄰或重疊的矩形形式的4096×4096象素排列。通過選擇適合的SEM放大倍數(shù)，不同大小的基底區(qū)域可被曝光。通過將電子束聚焦到斑點上(直徑160)、在適合的象素上掃描、在每個象素上停留特定的時間而將圖案曝光。從到達基底的束流、曝光量和放大倍數(shù)可自動計算停留時間。
如本申請中其它部分所詳細討論的，通過將導(dǎo)電顆粒隨機放置在兩個觸點間而在它們之間建立電連接是一種統(tǒng)計過程。為得到有意義和可重現(xiàn)的數(shù)據(jù)，將多個此類連接進行平均是必要的。達到此目的的一種方式是設(shè)計觸點間隙是其寬度(觸點間距)比其長度更小的矩形形式的觸點。交叉指部使得在給定區(qū)域具有更高的長寬比。這類圖案應(yīng)于不同的觸點間距參見圖4。
使用原子力顯微鏡(AFM)并用控制和分析軟件Nanoscope III版本4.42r4可測量得到的觸點間距從而測定實際的觸點間距。
由于金襯墊通過兩層PMMA的較好對比，所以將電子束的記錄區(qū)域和基底適合的區(qū)域?qū)适呛唵蔚摹Ｔ趯R過程中從曝光的基底中產(chǎn)生一個可能的問題。電子撞擊基底表面產(chǎn)生SEM中的可視性信息。由于在沒有“看”到臨界區(qū)域的情況下不可能精確對準電子束，所以在實際圖案記錄開始前這個區(qū)域被曝光。但是如果這種曝光限制于較短時間和較低的放大倍數(shù)，那么這種額外的電子曝光不會影響圖案的質(zhì)量。
HMW PMMA曝光后，其被顯影。顯影劑實際上是溶劑比例為1∶3的MIBK(4-甲基-2-戊酮)∶IPA。它的反應(yīng)性較高地取決于溫度，所以在將基底在純IPA中浸漬后，對于23攝氏度而言，30s的顯影時間是適合的。此過程通過溶解略微大面積的下層LMW PMMA而除掉了兩個PMMA層中的曝光區(qū)域并雕刻出被記錄進HMW PMMA層的圖案。這使得后者的剝落更容易成功，特別是對于精細圖案而言。然而，顯影過程不能完全清除SiN表面的抗蝕劑，因此蒸發(fā)的金屬薄膜不能很好地粘附。為解決此問題，在用500瓦能量的RF場蒸發(fā)15秒之前可用氧氣等離子體清潔基底。這樣可除掉約5nm的有機層，這足以清潔自由的SiN表面而不會破壞HMW PMMA薄膜。在此過程中除了非常小的中心曝光區(qū)域外，剩余的PMMA層將完全覆蓋基底。然而，在基底的處理中這些層對于刮擦或其它的機械壓力是非常敏感的并且在PMMA層中的一些小孔或裂紋也能顯影。為避免在基底的各種區(qū)域上較小的金屬沉積物，整個基底可用光致抗蝕劑覆蓋(當然中心區(qū)域除外)。
精細觸點NiCr(80％Ni和20％Cr)被選定最后蒸發(fā)，是因為其易于使用，更重要的是對SiN粘附更好，并在非常低的厚度時也可形成非常堅固的薄膜。由于通過在丙酮中溶解PMMA并使用超聲浴而使最終的剝落工作非常容易，所以使用可能的其它方法利用棉花可除掉指部間的所有小塊金屬。然而特別是對較小的觸點間距而言，有時不可能除掉指部間的所有金屬。在這種情況下，基底不得不被廢棄。
2.簇沉積實驗的結(jié)果第一步鉍簇被沉積在平坦的SiN表面上，并使用原子力顯微鏡研究生成的薄膜。圖9中表明了對于提高簇覆蓋度的原子力顯微照片。表明了四個提高表面覆蓋度的沉積過程。從這些研究的結(jié)果證實鉍簇的行為與模擬中所用的模型非常相似它們粘附在觸點表面上而不象觀察到的不同小尺寸和/或不同材料的簇那樣擴散和接合[37]。
此外我們用場發(fā)射掃描電子顯微鏡研究了沉積在樣品上帶有光刻技術(shù)形成的觸點的簇薄膜。圖19表明了低分辨率樣品的場發(fā)射SEM照片，此樣品帶有6對覆蓋在含有20nm Bi簇薄膜中的交叉觸點。需注意從分子束生成的斑點形狀和在樣品上方的圓形開孔。也需注意穿過薄膜的顆粒的密度梯度。(在這種情況下由于比通常簇平均值更小的L相對較大，所以滲流閾值沒有較大的改變。)圖20表明與模擬(連續(xù)模型)結(jié)果相比滲流簇薄膜的場發(fā)射SEM照片。這種模擬表明了總覆蓋度值(ptot)。因為總覆蓋度與第一層中的覆蓋度相關(guān)，所以通過ptot＝-ln(p)可計算第一層中的等價覆蓋度。這些照片是不同薄膜厚度的樣品的多個區(qū)域(注意圖19中簇薄膜明顯不是均勻厚度的)。簇薄膜的形態(tài)和連接度明顯與通過可隨機將顆粒置于表面上[連續(xù)滲流]的簡單計算機程序產(chǎn)生的照片相似。在這個模型中，形成在表面上的新顆粒實際形成在先前形成的顆粒的上方，這種可能性是簡單的表面覆蓋度p。簡單的運用表明包括較高層顆粒的總覆蓋度是ptot＝-ln(1-p)，其中p僅是第一層中的覆蓋度，就象在較簡單的單層模型中一樣。在連續(xù)滲流模型中，如果簇限定于單層，對于無限系統(tǒng)在p～0.68時發(fā)生滲流閾值，其相應(yīng)于Ptot～1.14，即總覆蓋度比完全覆蓋表面所需要的大14％。然而需注意在低覆蓋度P～Ptot時，對于足夠小L和足夠大w的L×w系統(tǒng)而言ponset(L)不受影響。
FE-SEM照片也表明較小的簇不明顯地擴散和接合。存在有限的接合-簇非常輕微地與它們的近鄰結(jié)合-但是一般而言顆粒仍是可分辨的。
在第一原位電流的測量實驗中，鉍簇沉積在單個觸點排列上。一般的程序包括產(chǎn)生和穩(wěn)定簇束到給定的平均簇速率(使用沉積速率監(jiān)測儀)并將觸點向此束暴露。在暴露過程中，觀察電流并測量暴露時間。不利地是，盡管在簇沉積之前和之后可測定平均簇束強度，但不可將沉積速率監(jiān)測儀和觸點同時暴露。
一般地，當表面覆蓋層(厚薄膜)足以連接觸點時(參見圖6)，電流突躍幾個數(shù)量級。不利地是，簇束的某些性質(zhì)對于我們的實驗不是理想的。更嚴重地是，簇束強度根據(jù)束中的位置而變化，即在束中心的強度最高，并向外遞減。由于這一問題，不可能直接測定觸點處的簇速率，而必須與不同次數(shù)比較。為克服這個問題，開發(fā)了用于實驗的新裝置。中心概念是使用兩個帶有不同間距而可同時暴露的觸點對。如圖4所示，兩個觸點對是電絕緣的但是彼此很接近(在直徑為100μm的圓形內(nèi))。因此，簇束強度從一個觸點到另一個觸點的偏差可以忽略。理想地，皮可安培計現(xiàn)在可用于測量分別通過兩個觸點的電流，然而僅有一個敏感的儀器可以使用。因此如圖7(上部)所示，兩個觸點并聯(lián)連接。10GΩ的電阻與較小間距的觸點(其表現(xiàn)出較早的開始電傳導(dǎo))串聯(lián)，并測量通過兩個觸點的總電流。當較小間距的觸點被簇連接時，通過這個通路的電流受電阻的限制。僅有在薄膜厚到足以連接第二組觸點時，總電流才進一步增加。那樣總電流對時間曲線將表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定水平，在它的限制下對于不同的觸點有不同的電傳導(dǎo)開始時間。
圖7(下部)表明了典型的實驗曲線，其證實了預(yù)測的行為。對一組樣品進行了實驗，其中每個樣品的一組觸點其間距為3200nm。測定臨界薄膜厚度×(L)，并對于3200nm的間距歸一化臨界薄膜厚度
x(L)＝tC(L)/tC(3200nm)tc(L)代表間距為L的觸點的開始時間。此方程表明平均沉積速率的比被假定為1。如果簇束強度是精確的常數(shù)或者如果其在比沉積時間更小的時間尺度內(nèi)在常數(shù)平均值周圍波動，那么這種假定就是正確的。但是在我們的系統(tǒng)中，平均束強度在沉積時間數(shù)量級的時間尺度內(nèi)波動。
臨界薄膜厚度dC(L)被描繪在圖5中，對于無窮大的觸點間距而言歸一化的臨界薄膜厚度dC(∞)是擬合參數(shù)。這些數(shù)據(jù)是對模擬所提出的有限尺寸效應(yīng)的實驗性驗證臨界薄膜厚度隨著觸點間距而減小。在2D正方形晶格中，單層約60％的覆蓋度導(dǎo)致無限的滲流簇。在鉍薄膜中，具有約兩個單層而建立了無限連接(dC(∞)～130nm)。這種現(xiàn)象是幾種效應(yīng)組合的結(jié)果，其中占優(yōu)勢的效應(yīng)是1)任何簇形成在另一個簇上面的有限可能性導(dǎo)致先前所討論的關(guān)系Ptot＝-ln(1-p)。
2)鉍簇的一些部分(ζ)不與其相鄰部形成導(dǎo)電連接的可能性，或者是由于小間隙或在顆粒間僅有較窄頸的存在，或是因為它們被真空系統(tǒng)中的水或殘余的氧氣氧化。
如果ζ～0.2，那么這兩種效應(yīng)的組合導(dǎo)致Ptot～2.0。
在某些沉積的結(jié)果中電導(dǎo)率對時間表現(xiàn)出明顯的臺階狀行為(圖6)。這清楚地表明因在網(wǎng)絡(luò)點處簇沉積生成的臺階顯著地影響全部網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率(被所施加的電壓1.2V分開的電流)。極端的例子是電傳導(dǎo)的開始是從形成的可在兩個觸點間完成連接的單簇或小量的簇而開始。圖6中超過電導(dǎo)率閾值的電流中的臺階是由于到達連接觸點的網(wǎng)絡(luò)部分中的其它簇的電流通路變化造成的。
最后我們也使用標準AC-lockin和I(V)技術(shù)研究了多個由不同平均直徑的鉍顆粒制備的不同觸點間距和覆蓋度的樣品的電導(dǎo)率。圖24和圖25中給出了觀察到的行為的實例。圖24表明兩個溫度下的鉍簇薄膜電流-電壓特性，表現(xiàn)出可重現(xiàn)的線性低壓行為。此圖表明在低壓下I(V)曲線通常是線性的，表明歐姆電傳導(dǎo)。相比較而言，圖25表明室溫下的鉍簇薄膜電流-電壓特性，表現(xiàn)出線性低壓行為和高壓下的電阻臺階。這表明在高壓下電傳導(dǎo)中可觀察到新的臺階狀特征。其中一些對幾個電壓循環(huán)具有可重現(xiàn)性，而另一些沒有?？捎^察到電傳導(dǎo)增加和減小，但是增加是更常見的。可以看到通過施加電流/電壓可以在簇間引起連接和斷裂。在極端的實施例中，通過施加電流/電壓設(shè)備的電導(dǎo)率明顯減小，從而導(dǎo)致非歐姆行為。在其它情況下，如果起始覆蓋度不足以允許歐姆電傳導(dǎo)，施加的電流/電壓通過歐姆或接近于歐姆的電傳導(dǎo)而產(chǎn)生電流運輸態(tài)。對于已被空氣氧化成基本上是絕緣態(tài)的樣品時就是這種情況，即在此類設(shè)備中有時可重新生成歐姆或接近于歐姆電傳導(dǎo)的電流運輸態(tài)。
上面說明了本發(fā)明。對于本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員顯而易見的變更和修飾也屬于其范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種在基底上的多個觸點間至少形成一條導(dǎo)電納米顆粒鏈的方法，所述方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，c.至少在所述觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.在所述觸點間形成導(dǎo)電納米顆粒鏈。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中兩個觸點相距小于10微米。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述觸點相距小于1000nm。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述觸點相距小于100nm。
5.如權(quán)利要求2至4任一項所述的方法，其中所述納米顆粒由兩個或多個原子組成，其可以是相同或不同的元素。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的，并且所述納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且所述納米顆粒是由相同或不同元素的多個原子組成的原子簇。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述觸點是由光刻形成的。
12.如權(quán)利要求1至11任一項所述的方法，其中至少一條導(dǎo)電鏈由如下任一步驟形成i.監(jiān)測所述觸點間的電傳導(dǎo)，并在或接近開始電傳導(dǎo)時終止沉積，和/或ii.改變所述基底表面，或利用先已存在的表面特征，從而當納米顆粒被沉積在改變的區(qū)域或具有表面特征的區(qū)域時使納米顆粒形成納米線。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述形成導(dǎo)電納米顆粒鏈的步驟是步驟i.，彼此相關(guān)和與納米顆粒尺寸相關(guān)的觸點幾何形狀已被最優(yōu)化，從而增大了在通常在相同顆粒的宏觀薄膜或其部分薄膜中不認為有電傳導(dǎo)的表面覆蓋時形成納米顆粒鏈的可能性。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述最優(yōu)化是通過滲流理論計算的，其中滲流理論定義了滲流閾值，在滲流閾值時這種排列或系統(tǒng)是導(dǎo)電的，并且其中最優(yōu)化提高了比滲流閾值更小的表面覆蓋度時的電傳導(dǎo)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm，觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑，每個觸點的寬度基本上超過10x觸點間距。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中條件是阻礙納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或本身條件。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中通過步驟ii.形成導(dǎo)電納米顆粒鏈，及其中平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中改變包括基本上在兩個觸點間延伸并形成在基底表面中的臺階、凹陷或隆起部。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中改變包括形成基本上在觸點間延伸并基本上具有v型橫截面的槽。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中條件是促進納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身的條件。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中改變是通過光刻和蝕刻實現(xiàn)的。
23.一條基本上按照權(quán)利要求1至22中任一項所述方法制備的在基底上的多個觸點間的導(dǎo)電納米顆粒鏈。
24.一種在基底表面的兩個觸點間形成導(dǎo)電納米線的方法，所述方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，c.至少在所述觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.通過監(jiān)測兩個觸點間的電傳導(dǎo)并在電傳導(dǎo)起始時終止沉積，來監(jiān)測導(dǎo)電納米線的形成，其中觸點相距小于10微米。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述觸點相距小于1000nm。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述觸點相距小于100nm。
27.如權(quán)利要求24至26任一項所述的方法，其中所述納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm，并且所述納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且所述納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成的原子簇。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述觸點的幾何形狀是由滲流理論計算而最優(yōu)化的，從而在觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上形成納米顆粒表面覆蓋度小于滲流閾值覆蓋度的導(dǎo)電納米線。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述表面覆蓋度小于70％。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述表面覆蓋度小于30％。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中所述表面覆蓋度基本上在20％的范圍。
33.如權(quán)利要求30至32任一項所述的方法，其中所述最優(yōu)的幾何形狀需要- 在觸點間的矩形區(qū)域(或幾何上的等價區(qū)域，如交叉觸點)；- 觸點相距為小于60x平均納米顆粒直徑，及- 每個觸點的寬度超過10x觸點間距。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中- 觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑；及- 每個觸點的長度基本上超過10x觸點間距。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中平均納米顆粒直徑基本上為0.5nm～1,000nm。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中條件是阻礙納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身條件。
38.如權(quán)利要求28所述的方法，其中在觸點間區(qū)域內(nèi)的基底的表面形狀能夠促進觸點間納米顆粒導(dǎo)電通路的形成。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述方法在步驟a)或b)之前或之后但至少要在步驟c)之前包括如下補充步驟i)為形成導(dǎo)電通路，改變表面以對沉積的納米顆粒的布置提供有幫助的表面形狀。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中改變包括基本上在兩個觸點間延伸并形成在基底表面中的臺階、凹陷或隆起部。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中改變包括形成基本上在觸點間延伸并基本上具有v型橫截面的槽。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中改變是通過光刻和蝕刻實現(xiàn)的。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中條件是促進納米顆粒在基底表面擴散的那類條件，包括溫度、表面光滑度、和/或表面類型、和/或本身條件。
44.如權(quán)利要求37或43所述的方法，其中所述基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英、玻璃。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
47.一種基本上按照權(quán)利要求24至46中任一項所述方法制備的在基底表面的兩個觸點間的導(dǎo)電納米線。
48.一種在基底表面的兩個觸點間形成導(dǎo)電納米線的方法，所述方法包括或包含如下步驟a.在基底上形成觸點，b.制備多個納米顆粒，c.至少在所述觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積多個納米顆粒，d.通過如下任一步驟得到基本上在兩個觸點間延伸的一條納米線i.監(jiān)測所述觸點間的電傳導(dǎo)，并在電傳導(dǎo)起始時終止沉積，和/或ii.改變所述基底，或利用先已存在的并可使納米顆粒形成納米線的表面特征。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中所述觸點相距小于10微米。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述觸點相距小于1000nm。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其中所述觸點相距小于100nm。
52.如權(quán)利要求49至51任一項所述的方法，其中所述納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm，并且所述納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其中所述納米顆粒的制備和沉積步驟是通過惰性氣體凝聚實現(xiàn)的，并且所述納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成的原子簇。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其中所述觸點是通過光刻形成的。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中所述基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中所述納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
58.一種基本上按照權(quán)利要求48至57中任一項所述方法制備的在基底表面的兩個觸點間的導(dǎo)電納米線。
59.一種在形成于基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備的制造方法，所述方法包括或包含如下步驟A.按照權(quán)利要求1至22、24至46或48至58中任一項所述方法在基底表面的兩個觸點間制備導(dǎo)電納米線，B.將所述觸點和納米線與所述納米級設(shè)備組合。
60.如權(quán)利要求59所述的方法，其中所述設(shè)備包括兩個或多個觸點并包括一條或多條導(dǎo)電納米線。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述組合步驟導(dǎo)致產(chǎn)生下面的任一個或多個實施方案1.在其間有導(dǎo)電納米線的兩個基本觸點，在基底上的至少一個第三觸點，所述第三觸點不與基本觸點電學(xué)連接從而可在放大或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備、晶體管或等價物中作為門極或其它元件；和/或2.在其間有導(dǎo)電納米線的兩個基本觸點，絕緣材料的上層或下層，在所述上層或下層遠離所述基本觸點端的至少一個第三觸點，從而所述第三觸點可在轉(zhuǎn)換設(shè)備、晶體管或等價物中作為門極或其它元件；和/或3.所述觸點和/或納米線受氧化物或其它非金屬或半導(dǎo)體薄膜的保護從而保護和/或增強它的性質(zhì)；和/或4.在帶有觸點和納米線的基底表面之上的覆蓋層(可是摻雜或未摻雜的)，其可以是也可以不是3中的薄膜；5.在基底表面上的納米顆粒被退火；6.通過應(yīng)用在基底上的抗蝕劑、或其它有機化合物、或氧化物、或其它絕緣層來控制納米顆粒的布置，然后使用光刻和/或蝕刻處理以形成其內(nèi)納米顆粒參與觸點間電傳導(dǎo)的一個或多個區(qū)域及其內(nèi)納米顆粒與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)絕緣的另一個或多個區(qū)域。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述設(shè)備是晶體管或其它轉(zhuǎn)換設(shè)備、薄膜沉積控制設(shè)備、磁場傳感器、化學(xué)傳感器、發(fā)光或檢測設(shè)備、或溫度傳感器。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述設(shè)備是監(jiān)測納米顆粒薄膜沉積的沉積傳感器，其至少包括一對幾何形狀被最優(yōu)化的觸點，從而在相同顆粒的宏觀薄膜中通常不能預(yù)期到電傳導(dǎo)的表面覆蓋度時所述設(shè)備開始發(fā)生電傳導(dǎo)，其中可以選擇觸點間距從而在或接近電傳導(dǎo)起始時改變表面覆蓋度，其中作為預(yù)先確定觸點間距的結(jié)果，當在薄膜中達到預(yù)定的納米顆粒覆蓋度時，在納米顆粒薄膜中的開始電傳導(dǎo)被用于感測。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述設(shè)備是沉積傳感器，而納米顆粒被涂布在配體或絕緣層中，從而開始的隧道電傳導(dǎo)可用于監(jiān)測薄膜厚度。
65.如權(quán)利要求51至64中任一項所述的設(shè)備，其中在顆粒沉積過程中或沉積之后，通過施加電壓或電流而經(jīng)由鏈進行電傳導(dǎo)。
66.一種基本上按照權(quán)利要求59至65中任一項所述方法制備的在形成于基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備。
67.一種在形成在基底上的兩個觸點間包括或需要導(dǎo)電通路的納米級設(shè)備，其包括或包含i)至少在所述基底上的兩個觸點，ii)在所述觸點間形成納米顆粒導(dǎo)電鏈或通路的多個納米顆粒。
68.如權(quán)利要求67所述的設(shè)備，其中所述兩個觸點相距小于10微米。
69.如權(quán)利要求68所述的設(shè)備，其中所述觸點相距小于1000nm。
70.如權(quán)利要求69所述的設(shè)備，其中所述觸點相距小于100nm。
71.如權(quán)利要求68至70中任一項所述的設(shè)備，其中所述納米顆粒是由相同或不同元素的兩個或多個原子組成。
72.如權(quán)利要求71所述的設(shè)備，其中所述納米顆粒的尺寸可以是均勻或非均勻的，并且所述納米顆粒的平均直徑為0.5nm～1,000nm。
73.如權(quán)利要求72所述的設(shè)備，其中所述基底是絕緣或半導(dǎo)體材料。
74.如權(quán)利要求73所述的設(shè)備，其中所述基底選自硅、氮化硅、氧化硅、氧化鋁、氧化銦錫、鍺、砷化鎵或任何其它的III-V半導(dǎo)體、石英或玻璃。
75.如權(quán)利要求74所述的設(shè)備，其中所述納米顆粒選自鉍、銻、鋁、硅、鍺、銀、金、銅、鐵、鎳或鈷簇。
76.如權(quán)利要求67至75中任一項所述的設(shè)備，其中至少一條導(dǎo)電鏈由如下任一步驟形成i.監(jiān)測所述觸點間的電傳導(dǎo)，并在開始電傳導(dǎo)時終止沉積，和/或ii.改變所述基底表面，或利用先已存在的表面特征，從而當納米顆粒被沉積在改變的區(qū)域或具有表面特征的區(qū)域時使納米顆粒形成納米線。
77.如權(quán)利要求76所述的設(shè)備，其中至少一條導(dǎo)電鏈是由步驟i.形成的，及其中平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm，觸點相距為4-6x平均納米顆粒直徑，每個觸點的長度基本上超過10x觸點間距。
78.如權(quán)利要求77所述的設(shè)備，其中所述觸點的總體幾何形狀是交叉形狀。
79.如權(quán)利要求78所述的設(shè)備，其中所述形成導(dǎo)電納米顆粒鏈的步驟是步驟ii.，及其中平均納米顆粒直徑為0.5nm～1000nm。
80.如權(quán)利要求79所述的設(shè)備，其中在顆粒沉積過程中或沉積之后，通過施加電壓或電流而經(jīng)由鏈進行電傳導(dǎo)。
81.結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨咨系亩鄠€觸點間的一條導(dǎo)電納米顆粒鏈。
82.結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨妆砻嫔系膬蓚€觸點間的導(dǎo)電納米線。
83.結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨咨系亩鄠€觸點間制備一條導(dǎo)電納米顆粒鏈的方法。
84.結(jié)合任一個或多個附圖和或?qū)嵤├⒒旧习凑毡疚乃龅脑诨妆砻嫔系膬蓚€觸點間制備導(dǎo)電納米線的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在基底表面的兩個觸點間形成導(dǎo)電納米線的方法，其中在觸點間區(qū)域內(nèi)的基底上沉積有多個納米顆粒，基本上在兩個觸點間延伸的一條納米線或者通過監(jiān)測觸點間的電傳導(dǎo)并在電傳導(dǎo)起始時終止沉積而形成的，和/或改變基底或利用先已存在的并可使納米顆粒形成納米線的表面特征而形成。也要求保護得到的導(dǎo)電納米線及含有這種納米線的設(shè)備。
文檔編號H01L49/00GK1541183SQ02815737
公開日2004年10月27日 申請日期2002年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月20日
發(fā)明者西蒙·安東尼·布朗, 西蒙 安東尼 布朗, 施梅爾策, 朱爾恩·施梅爾策 申請人:納米簇設(shè)備公司