Forskere løser et årti langt mysterium om nanopillarformationer

Forskere ved California Institute of Technology har afsløret den fysiske mekanisme, hvorved arrays af nanoskala søjler kan dyrkes på polymerfilm med meget høj præcision, i potentielt grænseløse mønstre.

Denne nanofluidiske proces - udviklet af Sandra Troian, professor i anvendt fysik, luftfart, og maskinteknik hos Caltech, og beskrevet i en nylig artikel i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve - kunne en dag erstatte konventionelle litografiske mønsterteknikker, der nu bruges til at bygge tredimensionelle nano- og mikroskalastrukturer til brug i optiske, fotonisk, og biofluidiske enheder.

Fremstilling af høj opløsning, store nanoarrays er stærkt afhængige af konventionelle fotolitografiske mønsterteknikker, som involverer behandlinger med ultraviolet lys og skrappe kemikalier, der skiftevis opløser og ætser siliciumwafers og andre materialer. Fotolitografi bruges til at fremstille integrerede kredsløb og mikroelektromekaniske enheder, for eksempel.

Imidlertid, de gentagne cyklusser af opløsning og ætsning forårsager en betydelig mængde overfladeruhed i nanostrukturerne, i sidste ende begrænser deres ydeevne.

"Denne proces er også i sagens natur todimensionel, og derfor skal tredimensionelle strukturer mønstres lag for lag, " siger Troian.

I et forsøg på at reducere omkostningerne, Behandlingstid, og ruhed, forskere har udforsket alternative teknikker, hvorved smeltede film kan mønstres og størknes in situ, og i et enkelt trin.

For omkring et årti siden, grupper i Tyskland, Kina, og USA stødte på et bizart fænomen, mens de brugte teknikker, der involverede termiske gradienter. Når smeltede polymer nanofilm blev indsat i et slankt mellemrum, der adskilte to siliciumwafers, der blev holdt ved forskellige temperaturer, rækker af nanoskala søjler udviklet spontant.

Disse fremspring voksede, indtil de nåede den øverste wafer; de resulterende søjler var typisk flere hundrede nanometer høje og adskillige mikrometer fra hinanden.

Disse søjler smeltede nogle gange sammen, danner mønstre, der lignede cykelkæder set fra oven; i andre film, søjlerne voksede jævnt fordelt, honeycomb-lignende arrays. Når først systemet blev bragt tilbage til stuetemperatur, strukturerne størknede på plads for at producere selvorganiserede funktioner.

I 2002 forskere i Tyskland, som havde observeret dette fænomen, antog, at søjlerne stammer fra uendeligt små – men meget reelle – tryksvingninger langs overfladen af ​​en ellers stillestående flad film. De foreslog, at forskellene i overfladetryk var forårsaget af lige så små variationer i den måde, individuelle pakker (eller kvanter) af vibrationsenergi på, kendt som fononer, reflektere fra filmens grænseflader.

"I deres model, forskellen i akustisk impedans mellem luften og polymeren menes at generere en ubalance i fononflux, der forårsager et strålingstryk, der destabiliserer filmen, tillader søjledannelse, " siger Troian. "Deres mekanisme er den akustiske analog af Casimir-styrken, som er ganske velkendt for fysikere, der arbejder på nanoskalaen."

Men Troian, som var bekendt med termiske effekter i små skalaer - og vidste, at udbredelsen af ​​disse fononer faktisk er usandsynlig i amorfe polymersmeltninger, som mangler intern periodisk struktur - erkendte med det samme, at en anden mekanisme måske lurer i dette system.

For at bestemme den faktiske årsag til nanopillar dannelse, hun og Caltech postdoc Mathias Dietzel udviklede en væskedynamisk model af samme type tynde, smeltet nanofilm i en termisk gradient.

Deres model, Troian siger, "udviste en selvorganiserende ustabilitet, der var i stand til at reproducere de mærkelige formationer, " og viste, at nanopiller, faktisk, dannes ikke via tryksvingninger, men gennem en simpel fysisk proces kendt som termokapillær strømning.

I kapillærstrømning - eller kapillærvirkning - den tiltrækningskraft, eller samhørighed, mellem molekyler af samme væske (f.eks. vand) producerer overfladespænding, den trykkraft, der er ansvarlig for at holde en dråbe vand sammen. Da overfladespænding har en tendens til at minimere overfladearealet af en væske, det fungerer ofte som en stabiliserende mekanisme mod deformation forårsaget af andre kræfter. Forskelle i temperatur langs en væskegrænseflade, imidlertid, generere forskelle i overfladespænding. I de fleste væsker, køligere områder vil have en højere overfladespænding end varmere - og denne ubalance kan få væsken til at strømme fra områder med varmere til køligere temperaturer, en proces kendt som termokapillær flow.

Tidligere, Troian har brugt sådanne kræfter til mikrofluidapplikationer, at flytte dråber fra et punkt til et andet.

"Du kan se denne effekt meget flot, hvis du flytter en isterning i en ottende figur under en metalplade belagt med en væske som glycerol, " siger hun. "Væsken vælder op over kuben, mens den sporer figuren ud. Du kan tegne dit navn på denne måde, og, presto! Du har fået dig en ny form for termokapillær litografi!"

I deres Fysiske anmeldelsesbreve papir, Troian og Dietzel viste, hvordan denne effekt teoretisk kan dominere alle andre kræfter på nanoskaladimensioner, og viste også, at fænomenet ikke er ejendommeligt for polymerfilm.

I eksperimenterne med termisk gradient, de siger, spidserne af de små fremspring i polymerfilmen oplever en lidt koldere temperatur end den omgivende væske, på grund af deres nærhed til den køligere wafer.

"Overfladespændingen ved en udviklende spids er bare en lille smule større, og dette opretter en meget stærk kraft orienteret parallelt med luft/polymer-grænsefladen, som støvler væsken mod den køligere wafer. Jo tættere spidsen kommer på waferen, jo koldere det bliver, fører til en selvforstærkende ustabilitet, " forklarer Troian.

Ultimativt, hun siger, "du kan ende med meget lange søjlestrukturer. Den eneste grænse for søjlens højde, eller nanopillar, er wafernes adskillelsesafstand."

I computermodeller, forskerne var i stand til at bruge målrettede variationer i temperaturen på det køligere substrat til at kontrollere præcist det mønster, der blev replikeret i nanofilmen. I en sådan model, de skabte et tredimensionelt "nanorelief" af Caltech-logoet.

Troian og hendes kolleger begynder nu eksperimenter i laboratoriet, hvor de håber at fremstille en mangfoldig række af optiske og fotoniske elementer i nanoskala. "Vi skyder efter nanostrukturer med spektakulært glatte overflader - så glatte, som du nogensinde kunne gøre dem - og 3-D-former, der ikke er let opnåelige ved hjælp af konventionel litografi, " siger Troian.

"Dette er et eksempel på, hvordan grundlæggende forståelse af principperne for fysik og mekanik kan føre til uventede opdagelser, som kan have vidtrækkende, praktiske konsekvenser, " siger Ares Rosakis, formand for Division of Engineering and Applied Science (EAS) og Theodore von Kármán professor i luftfart og maskinteknik ved Caltech. "Dette er EAS-divisionens virkelige styrke."

Mere information: Phys. Rev. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Kilde:California Institute of Technology (nyheder:web)