Forskere sætter rekordopløsning for tegning på en nanometer længdeskala

Evnen til at mønstre materialer i stadig mindre størrelser-ved hjælp af elektronstråle litografi (EBL), hvor et elektronfølsomt materiale udsættes for en fokuseret elektronstråle, som en primær metode - driver fremskridt inden for nanoteknologi. Når materialets funktionsstørrelse reduceres fra makroskala til nanoskala, individuelle atomer og molekyler kan manipuleres til dramatisk at ændre materielle egenskaber, såsom farve, kemisk reaktivitet, elektrisk ledningsevne, og lette interaktioner.

I den igangværende søgen efter at mønstre materialer med stadig mindre funktionsstørrelser, forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory - har for nylig sat ny rekord. Udfører EBL med et scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM), de har mønstret tynde film af polymerpoly (methylmethacrylat), eller PMMA, med individuelle funktioner så små som en nanometer (nm), og med en afstand mellem funktioner på 11 nm, hvilket giver en arealtæthed på næsten en billion træk pr. kvadratcentimeter. Disse rekordpræstationer offentliggøres i online -udgaven af Nano bogstaver .

"Vores mål på CFN er at undersøge, hvordan det optiske, elektrisk, termisk, og andre egenskaber ved materialer ændres, efterhånden som deres funktionsstørrelser bliver mindre, "sagde hovedforfatter Vitor Manfrinato, en forskningsassistent i CFN's elektronmikroskopigruppe, der begyndte projektet som CFN -bruger, mens han afsluttede sit doktorgradsarbejde på MIT. "Indtil nu, mønstermaterialer på et enkelt nanometer har ikke været muligt på en kontrollerbar og effektiv måde. "

Kommercielle EBL -instrumenter mønstrer typisk materialer i størrelser mellem 10 og 20 nanometer. Teknikker, der kan producere mønstre med højere opløsning, kræver særlige forhold, der enten begrænser deres praktiske anvendelighed eller dramatisk bremser mønsterprocessen. Her, forskerne skubbede opløsningsgrænserne for EBL ved at installere en mønstergenerator-et elektronisk system, der præcist flytter elektronstrålen over en prøve for at tegne mønstre designet med computersoftware-i et af CFN's aberrationskorrigerede STEM'er, et specialiseret mikroskop, der giver en fokuseret elektronstråle i atomskalaen.

"Vi konverterede et billedværktøj til et tegneværktøj, der ikke kun er i stand til at tage billeder i atomopløsning, men også at lave atomopløsningsstrukturer, "sagde medforfatter Aaron Stein, en seniorforsker i gruppen elektroniske nanomaterialer på CFN.

Deres målinger med dette instrument viser en næsten 200 procent reduktion i funktionsstørrelse (fra 5 til 1,7 nm) og 100 procent stigning i arealmønstertæthed (fra 0,4 til 0,8 billioner pr. Kvadratcentimeter, eller mellem 16 og 11 nm mellem funktioner) i forhold til tidligere videnskabelige rapporter.

Teamets mønstrede PMMA-film kan bruges som stenciler til overførsel af den tegnede necometerfunktion til ethvert andet materiale. I dette arbejde, forskerne skabte strukturer mindre end 5 nm i både metalliske (guldpalladium) og halvledende (zinkoxid) materialer. Deres fremstillede guld palladium funktioner var så små som seks atomer brede.

På trods af denne rekorddemonstration, holdet er fortsat interesseret i at forstå de faktorer, der stadig begrænser opløsning, og i sidste ende skubbe EBL til sin grundlæggende grænse.

"Opløsningen af ​​EBL kan påvirkes af mange parametre, herunder instrumentbegrænsninger, interaktioner mellem elektronstrålen og polymermaterialet molekylære dimensioner forbundet med polymerstrukturen, og kemiske processer ved litografi, "forklarede Manfrinato.

Et spændende resultat af denne undersøgelse var erkendelsen af, at polymerfilm kan mønstres i størrelser, der er meget mindre end den effektive radius på 26 nm for PMMA -makromolekylet. "Polymerkæderne, der udgør et PMMA -makromolekyle, er en million gentagne monomerer (molekyler) lange - i en film, disse makromolekyler er alle sammenviklet og ballet op, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Næste, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."