Invention jetprinter nanostrukturer med selvsamlende materiale

Et multi-institutionelt team af ingeniører har udviklet en ny tilgang til fremstilling af nanostrukturer til halvleder- og magnetlagringsindustrien. Denne tilgang kombinerer top-down avanceret inkjet printteknologi med en bottom-up tilgang, der involverer selvsamlende blokcopolymerer, en type materiale, der spontant kan danne ultrafine strukturer.

Holdet, bestående af ni forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign, University of Chicago og Hanyang University i Korea, var i stand til at øge opløsningen af ​​deres indviklede strukturfabrikation fra cirka 200 nanometer til cirka 15 nanometer. En nanometer er en milliardtedel af en meter, bredden af ​​et dobbeltstrenget DNA-molekyle.

Evnen til at fremstille nanostrukturer af polymerer, DNA, proteiner og andre "bløde" materialer har potentialet til at muliggøre nye klasser af elektronik, diagnostiske enheder og kemiske sensorer. Udfordringen er, at mange af disse materialer er fundamentalt uforenelige med den slags litografiske teknikker, der traditionelt bruges i den integrerede kredsløbsindustri.

Nyligt udviklede ultrahøj opløsning inkjet printteknikker har et vist potentiale, med demonstreret opløsning ned til 100-200 nanometer, men der er betydelige udfordringer i at opnå ægte nanoskaladimension. "Vores arbejde viser, at processer med polymerselvsamling kan give en vej rundt om denne begrænsning, " sagde John Rogers, Swanlund Chair Professor i Materials Science and Engineering ved Illinois.

Rogers og hans medarbejdere rapporterer deres resultater i september-udgaven af Natur nanoteknologi . Kombinationen af ​​jetprint med selvsamlende blokcopolymerer gjorde det muligt for ingeniørerne at opnå den meget højere opløsning, som foreslået af hovedforfatteren Serdar Onses, en postdoc ved Illinois. Onses fik sin doktorgrad ved University of Wisconsin under Paul Nealey, nu Brady W. Dougan professor i molekylær ingeniørvidenskab ved UChicago og medforfatter til Nature Nanotechnology-papiret. "Dette koncept viste sig at være virkelig nyttigt, " sagde Rogers.

Ingeniører bruger selvsamlende materialer til at forstærke traditionelle fotolitografiske processer, der genererer mønstre til mange teknologiske anvendelser. De skaber først enten et topografisk eller kemisk mønster ved hjælp af traditionelle processer. Til Nature Nanotechnology papiret, dette blev gjort hos imec i Belgien, et uafhængigt forskningscenter for nanoelektronik. Nealeys laboratorium var banebrydende for denne proces med rettet selvsamling af blokcopolymerer ved hjælp af kemiske nanomønstre.

Nærmer sig grænserne

Opløsningen af ​​det kemiske mønster nærmer sig den nuværende grænse for traditionel fotolitografi, bemærkede Lance Williamson, en kandidatstuderende i molekylær ingeniørvidenskab ved UChicago og medforfatter til artiklen Nature Nanotechnology. "Imec har evnen til at udføre fotolitografi i denne skala over store områder med høj præcision, " sagde Williamson.

Tilbage på University of Illinois, ingeniører placerer en blokcopolymer oven på dette mønster. Blokcopolymeren selvorganiserer, instrueret af den underliggende skabelon til at danne mønstre, der har meget højere opløsning end selve skabelonen.

Tidligere arbejde har fokuseret på afsætning og samling af ensartede film på hver wafer eller substrat, resulterer i mønstre med i det væsentlige kun én karakteristisk trækstørrelse og afstand mellem træk. Men praktiske anvendelser kan kræve blokcopolymerer af flere dimensioner mønstret eller rumligt placeret over en wafer.

"Denne opfindelse, at bruge inkjet-print til at afsætte forskellige blokcopolymerfilm med høj rumlig opløsning over substratet, er yderst muliggørende med hensyn til enhedsdesign og fremstilling, idet du kan realisere forskellige dimensionsstrukturer i ét lag, " sagde Nealey. "Desuden, de forskellige dimensionsmønstre kan faktisk rettes til at samles med enten de samme eller forskellige skabeloner i forskellige regioner."

Fordele ved e-jet print

Den avancerede form for inkjet-print, som ingeniørerne bruger til at afsætte blokcopolymerer lokalt, kaldes elektrohydrodynamisk, eller e-jet print. Det fungerer meget som de inkjetprintere, kontoransatte bruger til at udskrive på papir. "Idéen er flow af materialer fra små åbninger, bortset fra at e-jet er en speciel, højopløsningsversion af inkjet-printere, der kan udskrive funktioner ned til flere hundrede nanometer, " sagde Onses. Og fordi e-jet naturligt kan håndtere flydende blæk, det er usædvanligt velegnet til at mønstre opløsningssuspensioner af nanorør, nanokrystaller, nanotråde og andre typer nanomaterialer.

"Det mest interessante aspekt af dette arbejde er evnen til at kombinere 'top down' teknikker til jetprint med 'bottom up' processer til selvsamling, på en måde, der åbner op for nye muligheder inden for litografi - anvendelig til både bløde og hårde materialer, " sagde Rogers.

"Mulighederne ligger i at danne mønstrede strukturer af nanomaterialer for at muliggøre deres integration i rigtige enheder. Jeg er optimistisk med hensyn til mulighederne."