袁建国1，钟强1,2，周兆英2，杨兴2
(1.重庆邮电大学，重庆400065)(2.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084)
摘要：采用交流电沉积法，在预制备的铂电极对之间可以获得不同形貌的金纳米结构。通过控制实验条件，如交流电频率、电镀液浓度等，可沉积出直线型金纳米线。利用示波器监测电路电流控制电路的通断，可以使沉积出的金线接通电极对。通过TEM观察和伏安特性测试，使电沉积金线为单晶结构且具有较低的电阻率(7.8×10-7Ω·m)，交流电沉积法生长金线在微/纳连接和生物/化学传感器中具有潜在的应用。
关键词：交流电沉积;金纳米/微米线;单晶;微/纳连接
中图法分类号：O646文献标识码：A文章编号：1002-185X(2011)10-1864-03
电沉积方法被广泛应用于纳米结构的制备[1,2]，其中模板辅助法[3-5]和台阶边缘修饰法[6]常用于制备纳米线。模板辅助法通过向模板的纳米通孔中电沉积金属粒子制备一维纳米线阵列。台阶边缘修饰法通过在衬底台阶边缘选择性电沉积金属制备金属纳米线。作为纳电子器件和纳机电系统中的互联线是金属纳米线的重要应用之一。与其他金属相比，金由于其优异的耐酸碱、耐氧化及低电阻率等特性，更适合于金属互联线。同时，金纳米线应用于生物/化学传感器也已有报道[7,8]。然而利用模板法和台阶边缘修饰法制备的金纳米线在这些应用中需要额外的后续工艺，如何将金纳米线组装在固定位置成为其重点和难点。
为了解决纳米线的制备与应用相分离的问题，利用介电泳组装纳米颗粒制备纳米线受到广泛关注。介电泳可以实现在电极对之间组装纳米颗粒并将其熔融成纳米线，熔融而成的纳米线可以将电极对接通[9-12]，实现纳米线的制备与应用相统一。然而利用介电泳制备的金纳米线的的电阻率高达 2×10-5Ω·m[10,13]，比宏观金的电阻率(2.4×10-8Ω·m)高3个数量级，不适用于微纳连接。
针对以上问题，本研究提出采用交流电沉积的方法在电极对之间直接生长金纳米/微米线，从纳米/微米线的制备到组装一步到位，省去一些复杂的后续工艺。结果表明，实验所得金纳米/微米线为单晶结构且具有较低的电阻率(7.8×10-7Ω·m)，可应用于微/纳米连接。
1·实验
实验所用电镀液为乙醇基的镀金液(0.15 g碘和0.15 g碘化钾溶于20 mL乙醇后在80℃恒温下溶金至饱和)。P型掺杂的硅片上通过热氧化工艺覆盖一层500 nm厚的二氧化硅薄膜，然后利用光刻工艺在其上制备间距为3~10μm，厚300 nm的Pt/Cr电极对作为电沉积用电极。实验装置如图1所示。交流电信号由OI1842型函数信号发生器提供。扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)照片分别由 Sirion200、NT-MDT和Tacnai F20拍摄。由于硅衬底不适合于透射电镜观察，实验中通过微操作方法将样品转移至铜微栅上进行透射电镜观察。伏安特性测试结果通过两电极法利用Keithley 6487伏安计进行电压扫描而得，电压扫描范围–0.2~0.2 V，步进电压0.02 V，为了避免大电流将金线烧毁，在电路中串联一个阻值约1 MΩ的电阻R1。
将硅片置于探针台上，按图1所示接好电路，在实验电极上滴加5~10μL的电镀液，利用微探针将交流电信号(16 Vpp，5 MHz)接入电路，开始沉积。实验过程中通过显微镜观察金线的生长状态，以示波器(TDS 210)监测电阻R2上的电压，当金线接通电极对时，将出现大的电压阶跃，此时迅速切断电源。将样品取出以乙醇清洗干净、烘干，以备样品进行观察与测试。
2·结果与讨论
2.1金线的结构表征
2.1.1扫描电镜和原子力显微镜表征
图2所示为电沉积金线的扫描电镜和原子力显微镜照片。电沉积过程中，容易出现树枝状的金纳米结构(图2a)。通过控制实验条件如交流电频率、电镀液浓度等可以获得直线型的金线(图2b)，图2c为金线的原子力显微镜照片。由图2b可以看出，金线已将电极对接通。
2.1.2透射电镜表征
通过微操作法将样品转移至铜微栅上进行透射电镜观察。结果见图3。图3a为反映样品成分的能谱(EDX)。从中可以确定样品成分为金，其中的C、 Cu均为铜微栅结构的成分，I为电镀液蒸发而析出的(由于未彻底清洗干净而导致能谱中含有微量的碘元素)。从图3b中可以清楚的看到金线的晶格条纹线朝一个方向平行排列，由此可知所制备的金线为单晶结构。
2.2金线伏安特性测试
实验采用两电极法测试电沉积所得金线的电阻。为了避免大电流烧毁金线，在电路中串联了一个阻值约1 MΩ的电阻R1。由于R1阻值在电压扫描中有一定的波动，所以先串联金线扫描一次伏安特性，再将金线短路扫描电阻的伏安特性，金线电阻等于2次测试结果之差。将测试所得20个金线电阻值进行平均可得金线的平均电阻值。
图4给出了金线电阻测试的伏安曲线。根据欧姆定律及电阻率公式：
式中，U和I分别为电压和电流，ρ为金线电阻率，r为金线半径，l为金线长度。由公式(1)，(2)和(3)计算得出金线的电阻率约为7.8×10-7Ω·m。
本研究所制备的金纳米线的电阻率略高于宏观金的电阻率，可能是由于金纳米线与电极的接触电阻所致，但是已经远小于利用介电泳组装纳米颗粒所制备的金纳米线的电阻率[10,13]，可应用于微纳连接。
3·结论
利用交流电沉积法制备金纳米/微米线，可以实现纳米/微米线的制备与组装相结合，一步到位，而且制备的金纳米线电阻率只略大于宏观金，可作为金属连接线。
参考文献：略
