Opvarmet AFM-spids tillader direkte fremstilling af ferroelektriske nanostrukturer på plastik

Ved hjælp af en teknik kendt som termokemisk nanolitografi (TCNL), forskere har udviklet en ny måde at fremstille ferroelektriske strukturer i nanometerskala direkte på fleksible plastiksubstrater, som ikke ville være i stand til at modstå de behandlingstemperaturer, der normalt kræves for at skabe sådanne nanostrukturer.

Teknikken, som bruger et opvarmet atomkraftmikroskop (AFM) tip til at producere mønstre, kunne lette høj tæthed, lavprisproduktion af komplekse ferroelektriske strukturer til energiopsamlingssystemer, sensorer og aktuatorer i nano-elektromekaniske systemer (NEMS) og mikro-elektromekaniske systemer (MEMS). Forskningen blev rapporteret den 15. juli i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Vi kan direkte skabe piezoelektriske materialer af den form, vi ønsker, hvor vi vil have dem, på fleksible underlag til brug i energihøst og andre applikationer, " sagde Nazanin Bassiri-Gharb, medforfatter af papiret og en adjunkt ved School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette er første gang, at strukturer som disse er blevet direkte dyrket med en CMOS-kompatibel proces ved så lille en opløsning. Ikke alene har vi været i stand til at dyrke disse ferroelektriske strukturer ved lave substrattemperaturer, men vi har også været i stand til at mønstre dem i meget små skalaer."

Forskningen blev sponsoreret af National Science Foundation og det amerikanske energiministerium. Ud over Georgia Tech -forskerne, arbejdet involverede også videnskabsmænd fra University of Illinois Urbana-Champaign og University of Nebraska Lincoln.

Forskerne har produceret ledninger med en bredde på cirka 30 nanometer og kugler med en diameter på cirka 10 nanometer ved hjælp af mønsterteknikken. Kugler med potentiel anvendelse som ferroelektrisk hukommelse blev fremstillet ved tætheder på over 200 gigabyte pr. kvadrattomme – i øjeblikket rekorden for dette ferroelektriske materiale af perovskit-typen, sagde Suenne Kim, avisens første forfatter og en postdoc-stipendiat i laboratoriet af professor Elisa Riedo i Georgia Tech's School of Physics.

Ferroelektriske materialer er attraktive, fordi de udviser ladningsgenererende piezoelektriske reaktioner en størrelsesorden større end materialer som aluminiumnitrid eller zinkoxid. Polarisationen af ​​materialerne kan let og hurtigt ændres, giver dem potentiel anvendelse som hukommelseselementer med tilfældig adgang.

Men materialerne kan være svære at fremstille, kræver temperaturer over 600 grader Celsius til krystallisering. Kemiske ætsningsteknikker producerer kornstørrelser lige så store som de funktioner på nanoskala, forskere gerne vil producere, mens fysiske ætsningsprocesser beskadiger strukturerne og reducerer deres attraktive egenskaber. Indtil nu, disse udfordringer krævede, at ferroelektriske strukturer blev dyrket på et enkeltkrystalsubstrat, der er kompatibelt med høje temperaturer, derefter overført til et fleksibelt substrat til brug ved energi-høst.

Den termokemiske nanolitografiproces, som blev udviklet på Georgia Tech i 2007, løser disse udfordringer ved at bruge ekstremt lokaliseret opvarmning til kun at danne strukturer, hvor den resistivt opvarmede AFM-spids kommer i kontakt med et forstadiemateriale. En computer styrer AFM -skrivningen, giver forskerne mulighed for at skabe mønstre af krystalliseret materiale, hvor det ønskes. At skabe energihøstende strukturer, for eksempel, linjer svarende til ferroelektriske nanotråde kan trækkes langs den retning, hvori belastningen ville blive påført.

"Varmen fra AFM-spidsen krystalliserer den amorfe forløber for at lave strukturen, "Forklarede Bassiri-Gharb." Mønstrene dannes kun, hvor krystalliseringen sker. "

For at begynde fremstillingen, sol-gel-precursormaterialet påføres først på et substrat med en standard spin-coating-metode, derefter kortvarigt opvarmet til ca. 250 grader Celsius for at fjerne de organiske opløsningsmidler. Forskerne har brugt polyimid, glas- og siliciumsubstrater, men i princippet ethvert materiale, der er i stand til at modstå 250-graders opvarmningstrin, kan bruges. Strukturer er lavet af Pb(ZrTi)O ₃ - kendt som PZT, og PbTiO ₃ – kendt som PTO.

"Vi opvarmer stadig forløberen ved de temperaturer, der kræves for at krystallisere strukturen, men opvarmningen er så lokaliseret, at den ikke påvirker underlaget, " forklarede Riedo, medforfatter af papiret og lektor ved Georgia Tech School of Physics.

De ophedede AFM-tips blev leveret af William King, en professor i Institut for Mekanisk Videnskab og Teknik ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Som et næste skridt, forskerne planlægger at bruge rækker af AFM-tips til at producere større mønstrede områder, og forbedre de opvarmede AFM -tip til at fungere i længere perioder. Forskerne håber også at forstå den grundlæggende videnskab bag ferroelektriske materialer, herunder egenskaber på nanoskala.

"Vi er nødt til at se på væksttermodynamikken af ​​disse ferroelektriske materialer, "sagde Bassiri-Gharb." Vi skal også se, hvordan egenskaberne ændrer sig, når du flytter fra massen til mikronskalaen og derefter til nanometerskalaen. Vi er nødt til at forstå, hvad der virkelig sker med materialernes ydre og iboende reaktioner i disse små skalaer."

Ultimativt, rækker af AFM-spidser under computerstyring kunne producere komplette enheder, et alternativ til de nuværende fremstillingsteknikker.

"Termokemisk nanolitografi er en meget kraftfuld nanofabrikationsteknik, der gennem opvarmning, er som en nanoskala pen, der kan skabe nanostrukturer, der er nyttige i en række forskellige applikationer, inklusive protein arrays, DNA-arrays, og grafen-lignende nanotråde, Riedo forklarede. "Vi tager virkelig fat på problemet forårsaget af de eksisterende begrænsninger af fotolitografi i disse størrelsesskalaer. Vi kan forestille os at skabe en komplet enhed baseret på samme fremstillingsteknik uden kravene til dyre rene rum og vakuumbaseret udstyr. Vi bevæger os mod en proces, hvor flere trin udføres ved hjælp af det samme værktøj til at mønstre i lille skala."