Metode til at lave nanobrønde ud fra en misforståelse

(PhysOrg.com) -- Et pengeskab, enkel, og billig metode til at skabe perfekt ætsede mikron og mindre størrelse brønde i en række forskellige substrater er blevet udviklet af forskere i Penn State's Department of Chemical Engineering. Lignende mønstrede overflader fremstilles i øjeblikket ved hjælp af komplekse og dyre fotolitografimetoder og ætsningsprocesser under rene rumforhold og bruges til fremstilling af mange optiske, elektriske, og mekaniske anordninger.

Nanowell-opdagelsen blev gjort i laboratorierne hos Darrell Velegol og Seong Kim af Velegols kandidatstuderende, Neetu Chaturvedi, og Kims kandidatstuderende, Erik Hsiao. En artikel, der beskriver deres forskning, "Maskeløs fremstilling af nanobrønde ved hjælp af kemisk reaktive kolloider, ” optrådte i online-udgaven af ​​tidsskriftet Nano bogstaver i januar 2011. I samarbejde med Chaturvedi, Hsiao arbejdede på et projekt for at klæbe polystyren på en siliciumwafer for at skabe nanostrukturer med kendte dimensioner. Da Hsiao bad hende om at varme en af ​​hans prøver, en fejlkommunikation fik hende til at opvarme polystyren- og siliciumwaferen ved lav temperatur i vand i den autoklave, der normalt bruges til biologiske prøver i stedet for i vakuumovnen. Da de så på prøverne under atomkraftmikroskopet (AFM), de bemærkede, at der var dannet huller under polystyrenpartiklerne. Yderligere undersøgelse under scanningselektronmikroskopet (SEM) viste dem perfekt ætset, pyramideformede huller i substratet under de steder, hvor de amidinfunktionaliserede polystyrenlatexkolloidpartikler havde klæbet til siliciumdioxiden på overfladen af ​​siliciumwaferen.

"Vi så tre huller i prøven ved den første AFM-billeddannelse og vidste ikke, hvad det betød, da vi forventede pandekagelignende polymerpletter på prøven, " sagde Hsiao. De tog prøven til deres rådgivere, som begge blev overrasket over den ætsede oblat. Ved at gennemgå de trin, eleverne havde taget, forskerne indså, at brøndene blev produceret, da vandet hydrolyserede amidingruppen i partiklen, og gennem en række kemiske reaktioner, skabte en hydroxidion, der ætsede brønden ind i siliciumwaferen. Hullerne var ensartede og deres størrelse og dybde var fuldstændig afhængige af størrelsen af ​​den originale polystyrenpartikel, selvom orienteringen af ​​siliciumkrystallen påvirkede formen af ​​brøndene. I én retning (100), brøndene var perfekte firesidede omvendte pyramider. I den anden retning (111), brøndene var perfekte sekskanter. De fire forskere kaldte dem nanobrønde, fordi brøndens bunddimension kun var et par nanometer på tværs. De indså hurtigt, at de havde opdaget en ny maskeløs metode til at skabe strukturer i silicium uden de omfattende trin, der normalt kræves i renrummet.

"Vi leverer hydroxidioner direkte derhen, hvor vi vil ætse, ” forklarede Velegol. "Det er meget sikrere og billigere end elektronstråle- og røntgenlitografi. Det er så sikkert, at du praktisk talt kunne spise disse partikler uden nogen skade."

"Vi tror, ​​det er en ret generel opdagelse, " tilføjede Kim. "Det er en måde at levere kemi lokalt frem for i bulk. Mange metaller, keramik, og andre materialer kan ætses med denne teknik."

En anden potentiel fordel ved opdagelsen er evnen til at skabe mønstre på buede overflader, noget, der er svært at gøre med konventionel fotolitografi. Da partiklerne er suspenderet i vand, de kan klæbe til overfladen af ​​enhver form og placere sig jævnt over overfladen. Forskerne er lige begyndt at komme med spændende ideer til, hvordan man kan bruge den simple teknik.

Mange gennembrud kommer fra ulykker, Velegol bemærkede, fordi når noget er kendt, folk arbejder på det meget hurtigt, indtil de har udfyldt alle brikkerne, og der er mindre at opdage. Ulykker er ude af mønsteret. "Det er en af ​​de situationer, som Pasteur sagde, hvor tilfældigheder favoriserer det forberedte sind. Vi ville aldrig selv have tænkt på at prøve denne form for kemi. Men Neetu havde arbejdet med disse kolloider i flere år, og Erik havde erfaring med AFM, så de var godt forberedte til at drage fordel af ulykken, ” konkluderede Velegol.