跨尺度图形加工与转移及其纳米间隙器件应用研究

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跨尺度金属微纳米结构和纳米间隙是微纳加工领域中最为关心的话题之一。任意衬底上具有超小金属纳米间隙的图形化在纳米电子学、纳米等离激元学和柔性光电子学等领域具有重要的应用价值。然而普通的光刻方法在柔性可拉伸衬底、绝缘衬底、粗糙衬底以及一些特定的衬底上定义超小纳米间隙的分辨率很有限。另外普通的光刻方法对于一些与光刻工艺不兼容的衬底和材料也表现地束手无策。因此急需一种解决方案来弥补普通光刻方法的短板。在本论文中,我们提出了一种工艺组合方案来克服上述局限性,从而能够在特定的衬底上制造具有亚10纳米间隙尺寸的跨尺度金属纳米结构应用于功能器件。该工艺组合方案结合了电子束“轮廓曝光”光刻技术、纳米转移印刷技术和力学后组装技术。在组合方案中,电子束“轮廓曝光”光刻策略展现了独特的能力,可以快速、可靠地定义跨尺度的无粘附金属纳米结构和纳米间隙,这为后续的转移印刷过程奠定了强有力的基础。本论文利用这种方案制备了纳米等离激元和纳米电子器件,它们具有用现有图形化方法无法获得的超小纳米间隙,从而证明了这种制备策略的优越性。该组合方案还有望在柔性和可拉伸光学、电子和光电子学等领域具有极大的应用前景。本论文主要分为三部分:(1)运用电子束“轮廓曝光”工艺加工跨尺度微纳结构有独特的优势,加工最小的纳米间隙为11nm。结合转移工艺可以实现常规的光刻方法不能加工的尺度和精度。实现了在曲面衬底、柔性衬底等难加工衬底上跨尺度微纳结构的成功制备。(2)将电子束“轮廓曝光”工艺应用于短沟道电极的制备,制备效率较常规方法提高40倍之多,并利用全干法转移制备了沟道长度为70nm的短沟道MoS2器件,实现了原子级界面的接触,并且开关比高达107。(3)运用转移工艺并结合力学后组装技术,将结构转移至预拉伸衬底并释放,加工出亚5nm间隙的结构,进一步将缩小间隙后的二聚体结构转移至MoS2材料上,增强了MoS2材料的发光响应。并通过力学仿真,进一步定性地解释了其中的力学行为机理。
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