Ny teknik giver mulighed for billig skabelse af 3-D nanostrukturer

Forskere fra North Carolina State University har udviklet en ny litografiteknik, der bruger nanoskalakugler til at skabe tredimensionelle (3-D) strukturer med biomedicinske, elektroniske og fotoniske applikationer. Den nye teknik er væsentligt billigere end konventionelle metoder og er ikke afhængig af stabling af todimensionelle (2-D) mønstre for at skabe 3-D strukturer.

"Vores tilgang reducerer omkostningerne ved nanolitografi til det punkt, hvor det kunne udføres i din garage, " siger Dr. Chih-Hao Chang, en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State og seniorforfatter til et papir om arbejdet.

De fleste konventionelle litografier bruger en række forskellige teknikker til at fokusere lys på en lysfølsom film for at skabe 2D-mønstre. Disse teknikker er afhængige af specialiserede linser, elektronstråler eller lasere – som alle er ekstremt dyre. Andre konventionelle teknikker bruger mekaniske sonder, som også er dyre. For at skabe 3D-strukturer, 2D-mønstrene er i det væsentlige printet oven på hinanden.

NC State-forskerne tog en anden tilgang, at placere nanoskala polystyrenkugler på overfladen af ​​den lysfølsomme film.

Nanosfærerne er gennemsigtige, men bøj og spred lyset, der passerer gennem dem, på forudsigelige måder i henhold til den vinkel, lyset tager, når det rammer nanosfæren. Forskerne kontrollerer nanolitografien ved at ændre størrelsen af ​​nanosfæren, varigheden af ​​lyseksponeringer, og vinklen, lysets bølgelængde og polarisering. Forskerne kan også bruge én lysstråle, eller flere lysstråler, giver dem mulighed for at skabe en bred vifte af nanostrukturdesigns.

"Vi bruger nanosfæren til at forme mønsteret af lys, som giver os muligheden for at forme den resulterende nanostruktur i tre dimensioner uden at bruge det dyre udstyr, der kræves af konventionelle teknikker, " siger Chang. "Og det giver os mulighed for at skabe 3D-strukturer på én gang, uden at skulle lave lag efter lag af 2-D mønstre."

Forskerne har også vist, at de kan få nanosfærerne til at samle sig selv i et array med jævne mellemrum, som igen kan bruges til at skabe et ensartet mønster af 3-D nanostrukturer.

"Dette kan bruges til at skabe en række nanonåle til brug i medicinafgivelse eller andre applikationer, " siger Xu Zhang, en ph.d. studerende i Changs laboratorium og hovedforfatter af papiret.

Den nye teknik kan også bruges til at skabe "inkjet-printere" i nanoskala til udskrivning af elektronik eller biologiske celler, eller at skabe antenner eller fotoniske komponenter.

"Til dette arbejde, vi fokuserede på at skabe nanostrukturer ved hjælp af lysfølsomme polymerer, som er almindeligt anvendt i litografi, " siger Zhang. "Men teknikken kunne også bruges til at skabe skabeloner til 3-D strukturer ved hjælp af andre materialer."

Forskerne ser i øjeblikket på flere yderligere måder at manipulere teknikken på for at kontrollere formen på de resulterende strukturer.

"Vi udforsker brugen af ​​andre nanosfærematerialer end polystyren, samt andre nanopartikler end kugler, " siger Chang. "Og i sidste ende ønsker vi at se på måder at kontrollere placeringen af ​​partikler på den lysfølsomme film i andre mønstre end ensartede arrays."