【材料科技】我們之間的距離有多近？

■如果想要在兩片金屬中間開一道縫，這縫隙能做到多窄？100奈米？10奈米？還是5奈米呢？

撰文｜方程毅

如果要在兩片金屬中間開一道只有幾奈米的縫要怎麼做？聽起來很好像不太難，不就是切條縫嗎？但世界上沒有任何一片刀片的尖端可以小到這種尺度，雷射或離子束切割也無法切到那麼細，就算最尖端的光學或電子束微影技術的極限也大約只有10-20奈米，因此我們在製程上能寫的最小線寬大概就是這個等級(想要在兩片金屬中間開一道縫就像是寫一條線在金屬片上，再把這條線蝕刻掉)，可想而知，開「細」縫，是一項巨大的挑戰。

但我們幹嘛沒事要去開一條幾奈米的縫縫在金屬上呢？

因為我們想要做低濃度甚至是單分子偵測，這是生醫研究常常面臨的問題，希望偵測濃度非常低的病原體或DNA等等。目前這類偵測有個一分支是利用光學檢測(拉曼散射，Raman scattering)，簡單來說就是對一個待測物照光，因為特定分子會有特定的光譜變化，所以藉由偵測光譜變化就可以判定分子的種類或存在與否。但是當分子濃度很低或只有一個分子的時候，光譜的變化就變得非常難以觀測，因此我們希望可以讓這些分子附近的電場變得極強(光波即是電磁波，因此讓局部電場強度增強就很像把光「集中」)，當分子附近電場很強的時候，光譜變化就會變得很明顯，而把兩片金屬靠得非常近正是為了增強局部電場，距離越近(亦即開的縫隙越小)增強的效果越明顯。

加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)奈米工程學系的Darren Lipomi教授最近便想出一個妙招來解決這個問題。他們把石墨稀(Graphene)像三明治一樣夾在兩片金(Au)的薄片中間，再利用氧電漿(oxygen plasma)把石墨稀去除。石墨稀是單層或數層碳原子，所以這層”夾心”非常薄，而氧電漿蝕刻是來去除碳的化合物很普遍的技術，因此把兩片金中間的夾心去除後，數奈米的縫隙便形成了，這項研究被刊登在2015年Nano letters期刊上，並獲得《Phys.org》網站報導。

這個概念聽起來很簡單，但為什麼最近才做到呢？又為什麼是石墨稀呢？因為石墨稀這種超薄的2D材料是這幾年才被製備出來，而其他的2D材料又不容易被蝕刻，且石墨稀是單純的碳原子，在製程上單純許多。

不過，Lipomi教授開發出來的方法目前只能蝕刻掉較外圍的石墨稀，因此還會有石墨稀殘留在裡面，殘留的石墨稀對於光學偵測的影響並不大，但如果要用這項技術運用在電路相關的應用上，就要想辦法把石墨稀清得乾乾淨淨才行。但至少外圍已經有這種小縫隙可以做為偵測之用，在奈米技術上仍舊是一重大突破。

Lipomi教授表示：「如果有一個疾病的標記物存在這個小縫隙裡，你就可以觀察到光的(拉曼)散射，藉由散射就可以判斷是否染病。」但Lipomi教授也說：「在實際應用上其實不需要只有數奈米這麼小的縫隙，我們只要用證明這麼小的縫隙是可以被製作出來的。」這項實驗的未來目標也朝能夠控制寬度，而非現在這樣只能做出石墨稀寬度的隙縫，以符合各種不同應用端的需求。

原始論文及圖片來源：Zaretski, Aliaksandr, Brandon C. Marin, Herad Moetazedi, Tyler J. Dill, Liban Jibril, Casey Kong, Andrea R. Tao, and Darren J. Lipomi. "Using the Thickness of Graphene to Template Lateral Sub-Nanometer Gaps between Gold Nanostructures." Nano letters (2015).

參考資料：Graphene-based technique creates the smallest gaps in nanostructures

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。