Forskere blækker nanostrukturer med lille loddejern

Forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har kastet lys over temperaturens rolle i styringen af ​​en fremstillingsteknik til at tegne kemiske mønstre så små som 20 nanometer. Denne teknik kunne give en billig, hurtig vej til dyrkning og mønstre af en lang række materialer på overflader for at bygge elektriske kredsløb og kemiske sensorer, eller undersøg, hvordan lægemidler binder sig til proteiner og vira.

En måde til direkte at skrive nanoskala strukturer på et substrat er at bruge et atomkraftmikroskop (AFM) spids som en pen til at deponere blækmolekyler gennem molekylær diffusion på overfladen. I modsætning til konventionelle nanofabrikationsteknikker, der er dyre, kræver specialiserede miljøer og arbejder normalt med kun få materialer, denne teknik, kaldet dip-pen nanolitografi, kan bruges i næsten ethvert miljø til at skrive mange forskellige kemiske forbindelser. En fætter til denne teknik - kaldet termisk dip-pen nanolitografi - udvider denne teknik til faste materialer ved at forvandle en AFM-spids til en lille loddekolbe.

Dip-pen nanolithography kan bruges til at mønstre funktioner så små som 20 nanometer, mere end fyrre tusinde gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Hvad mere er, skrivespidsen fungerer også som overfladeprofilering, gør det muligt at afbilde en nyskrevet overflade med nanoskala-præcision umiddelbart efter mønstret.

"Tip-baseret fremstilling giver et stort løfte om præcis fremstilling af nanoskala-enheder, "siger Jim DeYoreo, midlertidig direktør for Berkeley Labs Molecular Foundry, et DOE -nanovidenskabsforskningscenter. "Imidlertid, en robust teknologi kræver et videnskabeligt grundlag bygget på en forståelse af materialeoverførsel under denne proces. Vores undersøgelse er den første til at give denne grundlæggende forståelse af termisk dip-pen nanolithografi. "

I dette studie, DeYoreo og kolleger undersøgte systematisk effekten af ​​temperatur på funktionsstørrelse. Ved hjælp af deres resultater, holdet udviklede en ny model til at dekonstruere, hvordan blækmolekyler bevæger sig fra skrivespidsen til substratet, samles til et ordnet lag og vokser til en nanoskala -funktion.

"Ved nøje at overveje temperaturens rolle i termisk dip-pen nanolitografi, vi kan muligvis designe og fremstille nanoskala mønstre af materialer lige fra små molekyler til polymerer med bedre kontrol over funktionsstørrelser og former på en række forskellige underlag, " siger Sungwook Chung, en stabsforsker i Berkeley Lab's Physical Biosciences Division, og støberi bruger, der arbejder med DeYoreo.

"Denne teknik hjælper med at overvinde grundlæggende længdeskala begrænsninger uden behov for komplekse vækstmetoder."

DeYoreo og Chung samarbejdede med et forskerhold fra University of Illinois i Urbana-Champaign, der har specialiseret sig i at fremstille specialiserede tip til AFM'er. Her, disse samarbejdspartnere udviklede en siliciumbaseret AFM-spids med en gradient af ladningsbærende atomer sprinklet ind i silicium, således at et højere antal ligger ved basen, mens færre sidder ved spidsen. Dette får spidsen til at varme op, når der strømmer elektricitet gennem den, meget gerne brænderen på en elektrisk komfur.

Denne 'nanoheater' kan derefter bruges til at opvarme blæk på spidsen, får dem til at strømme til overfladen til fremstilling af mikroskala- og nanoskalaegenskaber. Gruppen demonstrerede dette ved at tegne prikker og linjer af det organiske molekyle mercaptohexadecansyre på guldoverflader. Jo varmere spidsen er, jo større funktionsstørrelse kunne holdet tegne.

"Vi er begejstrede for dette samarbejde med Berkeley Lab, som kombinerer deres bemærkelsesværdige nanovidenskabelige evner med vores teknologi til at kontrollere temperatur og varmeflow på nanometerskalaen, "siger medforfatter William P. King, en professor i mekanisk videnskab og teknik fra University of Illinois. "Vores evne til at kontrollere temperaturen inden for en nanometer-skala gjorde det muligt at studere molekylær transport. Ved at indstille hotspot-temperaturen, vi kan undersøge, hvordan molekyler flyder til en overflade."

"Denne termiske kontrol over spids-til-overfladeoverførsel udviklet af professor Kings gruppe tilføjer alsidighed ved at muliggøre on-the-fly variationer i funktionsstørrelse og mønster af både flydende og faste materialer, " tilføjer DeYoreo.