金屬納米間隙是等離激元光子學(xué)、納米電子學(xué)和納米光電子學(xué)等各種器件的基本結構單元。在任意襯底上可靠定義具有超小間隙和高保真幾何形狀的金屬納米間隙對器件的實(shí)際應用起著(zhù)關(guān)鍵作用。由于納米間隙的極小尺寸和幾何形貌要求，在大多數情況下，必須采用先進(jìn)的圖案化方法，一般包括電子束光刻（EBL）、金屬薄膜沉積和金屬剝離三個(gè)步驟。然而，基于EBL的方法雖然具有極高的加工自由度和分辨率，但它也面臨著(zhù)一些挑戰。一方面，普通的EBL過(guò)程非常耗時(shí)，并且由于鄰近效應，它在定義超小納米間隙時(shí)往往無(wú)法實(shí)現高分辨。當定義跨尺度結構時(shí)，由于需要更長(cháng)的曝光時(shí)間及受到更嚴重的鄰近效應，上述缺點(diǎn)變得更加明顯。另一方面，EBL工藝與許多襯底或功能器件加工工藝不兼容。此外，傳統金屬納米間隙過(guò)程中的濕法工藝可能會(huì )在材料表面引入額外的污染物，這可能會(huì )降低界面質(zhì)量，從而降低器件的性能。所有上述挑戰都嚴重阻礙了EBL工藝在許多特定應用中的適用性。盡管研究人員已經(jīng)做出了許多努力，但在柔性或者絕緣襯底上可靠地制備出~10 nm金屬納米間隙仍然是一個(gè)極具挑戰性的問(wèn)題。作為一種互補性解決方案，轉移印刷（轉?。┰试S將預定義的結構從“施體”基板組裝到特定的“受體”基板上，因此能夠構建傳統光刻方法難以實(shí)現的結構和器件。轉印是一種力學(xué)組裝工藝，可避免高能輻照損傷和器件制造中使用有機溶劑，從而可形成清潔無(wú)缺陷的異質(zhì)界面。轉印可以在幾乎所有的固體表面上實(shí)現，如彎曲、柔性和可拉伸的襯底，這使得轉印技術(shù)已成為新興的柔性可拉伸可穿戴電子和光電子器件制造中的關(guān)鍵技術(shù)。更重要的是，力學(xué)組裝過(guò)程還提供了對預定義結構進(jìn)行后處理的自由度。然而，轉印技術(shù)在制造金屬納米間隙，特別是在制造具有多尺度特性器件的應用中仍然是一個(gè)挑戰，尚未得到展示。造成挑戰的一個(gè)因素是：金屬結構的剝離工藝中，由EBL預定義的初始金屬結構通常包含粘合層，導致這些結構難以從“施體”基板上分離。因此，在現有的轉印過(guò)程中，往往需要犧牲層。然而，犧牲層的使用增加了加工工藝的復雜性，導致了與后續轉印過(guò)程的不兼容。復雜且不兼容的過(guò)程不可避免地降低了結構的轉印保真度（如成功率和定位精度），這在超小特征尺寸結構的轉印中尤其明顯，因此亟需創(chuàng )新性的解決方案。 【成果簡(jiǎn)介】針對上述問(wèn)題，最近，湖南大學(xué)段輝高教授團隊報道了一種跨尺度無(wú)粘附金屬結構可靠圖案化、轉印和后組裝的方法，并將其用于納米間隙器件的應用。作者提出了一個(gè)克服傳統加工缺點(diǎn)的工藝組合，能夠在特定襯底上制造尺寸更小的跨尺度金屬納米間隙。該工藝組合結合了該團隊近年開(kāi)發(fā)的輪廓加工及干法金屬剝離策略及納米轉印、力學(xué)后組裝等步驟。其中，輪廓加工及干法金屬剝離策略提供了快速可靠地定義跨尺度無(wú)粘附金屬納米結構和納米間隙的獨特能力，為后續的轉印過(guò)程提供了便利。為了展示這種加工策略的適用性，作者制作了具有超小納米間隙的納米等離激元結構和納米電子器件。作者認為，該工藝組合還可能在柔性和可拉伸的光學(xué)、電子學(xué)和光電子學(xué)等領(lǐng)域有著(zhù)潛在的應用前景。相關(guān)成果以“Reliable Patterning, Transfer Printing and Post-Assembly of Multiscale Adhesion-Free Metallic Structures for Nanogap Device Applications”發(fā)表于A(yíng)dv. Funct. Mater.期刊上。 【圖文導讀】 
圖一、跨尺度金結構的圖案化和轉印工藝展示 （a）制備步驟的流程圖；（b）類(lèi)光子篩金微納結構陣列在施主襯底（i）、PDMS彈性體（ii）和受體基片（iii）上的光學(xué)顯微照片。電子顯微照片呈現了單個(gè)光子篩（iv）的概況和最外層的金納米點(diǎn)（v）的放大細節。 
（b）圖二、各種具有極小納米間隙的跨尺度金結構的可靠圖案化制作和轉印 （a~d）叉指狀納米間隙電極陣列。每個(gè)手指的寬度≈100 nm，手指間距≈28 nm，其中的受體襯底為PDMS；（e~h）用數學(xué)曲線(xiàn)切割的微型拼圖，其中的受體襯底為石英；（i~l）周期性微型金蝴蝶結結構，其中單個(gè)三角形的邊長(cháng)為1.5 ?m，受體襯底為CaF2。 
圖三、通過(guò)力學(xué)后組裝制備的亞10 nm金屬間隙并用于增強光致發(fā)光。 （a）加工流程示意圖；（b）實(shí)驗用單層MoS2薄片的拉曼光譜；（c）E12g和A1g峰的Raman mapping圖；（d）應力釋放前后MoS2片金納米二聚體的SEM圖；（e）力學(xué)后組裝納米二聚體增強的單層MoS2薄片PL光譜分析。 
圖四、基于轉印的納米間隙電極的短溝道MoS2晶體管 （a）制作MoS2晶體管的流程示意圖；（b）轉印的金屬納米間隙電極器件；（c）單層MoS2器件在-60～60 v柵電壓下的Ids-Vds輸出曲線(xiàn)；（d）MoS2晶體管在不同偏壓下的Ids-Vgs傳輸曲線(xiàn)：10 mv（綠色）；100 mv（淺綠）；500 mv（深綠色）；1 v（黃色）；（e）不同源漏偏壓下的開(kāi)關(guān)比曲線(xiàn)。 【小結】綜上所述，作者提出了一種跨尺度無(wú)粘附金屬結構的可靠圖案化、轉印和力學(xué)組裝方案，并實(shí)現了在納米間隙器件中的應用。作者展示了輪廓加工能夠實(shí)現無(wú)粘附金屬結構的可靠制作，可避免犧牲層的使用，從而顯著(zhù)促進(jìn)轉印流程?；谠摷庸そM合的獨特優(yōu)勢，作者在彈性體基底上實(shí)現了力學(xué)驅動(dòng)的金屬結構后組裝，使得納米間隙從最初尺寸120 nm到5 nm的顯著(zhù)收縮。之后，作者通過(guò)將輪廓加工定義的跨尺度金電極可靠地后組裝到MoS2二維材料上，實(shí)現了具有70 nm短溝道的高性能后組裝MoS2晶體管。作者認為，考慮到金屬納米間隙在納米等離激元光子學(xué)和納米電子學(xué)中的關(guān)鍵作用，這種加工組合策略將在先進(jìn)器件開(kāi)發(fā)中具有巨大的應用前景。文獻鏈接：Reliable Patterning, Transfer Printing and Post-Assembly of Multiscale Adhesion-Free Metallic Structures for Nanogap Device Applications（Adv. Funct. Mater.2020, 2002549）相關(guān)文獻：
（1）“Sketch and Peel” lithography for high-resolution multiscale patterning, Nano Letters, 16, 3253-3259 (2016).
（2）Rapid Focused Ion Beam Milling Based Fabrication of Plasmonic Nanoparticles and Assemblies via Sketch and Peel Strategy, ACS Nano 10, 11228-11236 (2016). 
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