Metode udskriver nanostrukturer ved hjælp af hårde, skarpe pennespidser, der flyder på bløde polymerfjedre

(PhysOrg.com) - Northwestern University-forskere har udviklet en ny teknik til hurtigt at lave prototyper af enheder og strukturer i nanoskala, som er så billig, at "printhovedet" kan smides væk, når det er gjort.

Hårdt tip, soft-spring litografi (HSL) ruller ind i én metode det bedste fra scanning-probe litografi - høj opløsning - og det bedste af polymer pen litografi - lav pris og nem implementering.

HSL kan bruges inden for elektronik (elektroniske kredsløb), medicinsk diagnostik (genchips og arrays af biomolekyler) og lægemidler (arrays til screening af lægemiddelkandidater), blandt andre.

For at demonstrere metodens evner, forskerne duplikerede pyramiden på den amerikanske en-dollarseddel og de omkringliggende ord omkring 19, 000 gange ved 855 millioner punkter pr. kvadrattomme. Hvert billede består af 6, 982 prikker. (De gengav en bitmap-repræsentation af pyramiden, inklusive "Eye of Providence." Denne øvelse fremhæver opløsningen under 50 nanometer og skalerbarheden af ​​metoden.

Resultaterne vil blive offentliggjort 27. januar af tidsskriftet Natur .

"Hårdt tip, soft-spring litografi er at scanne-probe litografi, hvad engangsbarbermaskinen er for barbermaskineindustrien, " sagde Chad A. Mirkin, avisens seniorforfatter. "Dette er et stort skridt fremad i realiseringen af ​​desktop-fabrikation, der vil give forskere i den akademiske verden og industrien mulighed for at skabe og studere nanostrukturprototyper på farten."

Mirkin er George B. Rathmann-professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences og professor i medicin, kemisk og biologisk teknik, biomedicinsk teknik og materialevidenskab og teknik og direktør for Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Mikro- og nanolitografiske teknikker bruges til at skabe mønstre og bygge overfladearkitekturer af materialer i lille skala.

Scanning sonde litografi, med sin høje opløsning og registreringsnøjagtighed, i øjeblikket er en populær metode til at bygge nanostrukturer. Metoden er, imidlertid, vanskeligt at skalere op og producere flere kopier af en enhed eller struktur til lave omkostninger.

Scanningsprobelitografier er typisk afhængige af brugen af ​​udkragere som udskrivningsenhedens komponenter. Cantilevers er mikroskopiske håndtag med spidser, bruges typisk til at afsætte materialer på overflader i et trykforsøg. De er skrøbelige, dyrt, besværligt og vanskeligt at implementere i et array-baseret eksperiment.

"Skalering af cantilever-baserede arkitekturer til lave omkostninger er ikke trivielt og fører ofte til enheder, der er vanskelige at betjene og begrænsede med hensyn til anvendelsesomfanget, " sagde Mirkin.

Hårdt tip, soft-spring litografi bruger en blød polymer bagside, der understøtter skarpe siliciumspidser som sit "printhoved". Fjederpolymerbagsiden tillader alle spidserne at komme i kontakt med overfladen på en ensartet måde og eliminerer behovet for at bruge udkragninger. I det væsentlige, hårde spidser flyder på bløde polymerfjedre, tillader enten materialer eller energi at blive leveret til en overflade.

HSL tilbyder en metode, der hurtigt og billigt producerer mønstre af høj kvalitet og med høj opløsning og tæthed. Prototype-arrays indeholdende 4, 750 spidser kan fremstilles til prisen for en enkelt cantilever-baseret spids og fremstilles i masse, sagde Mirkin.

Mirkin og hans team demonstrerede en række af 4, 750 ultraskarpe siliciumspidser justeret over et område på en kvadratcentimeter, med større arrays muligt. Mønstre af funktioner med en opløsning på under 50 nanometer kan laves med funktionsstørrelse styret af spidsens kontakttid med substratet.

De producerede mønstre, der "skriver" med molekyler og viste, at når spidserne skubber mod substratet, komprimeres den fleksible bagside, angiver, at spidserne er i kontakt med overfladen, og at der sker skrivning. (Siliciumspidserne deformeres ikke under tryk.)

"Til sidst skulle vi være i stand til at bygge arrays med millioner af kuglepenne, hvor hver pen aktiveres uafhængigt, " sagde Mirkin.

Forskerne demonstrerede også evnen til at bruge hard-tip, soft-spring litografi til at overføre mekanisk og elektrisk energi til en overflade.