Kontrolleret brud på tynde film kan lave billige nanopatternede arrays til solceller og biomolekylær detektion

Fænomenet 'befugtning' - betragtes normalt som en gene, da det får faststoffer til at perle op i øer, meget ligesom regndråber på glas - er blevet udnyttet til en nyttig anvendelse. Et A*STAR-ledet team har præciseret, hvordan affugtning kan samle arrays af 3D-nanostrukturer til applikationer, herunder registrering af enkeltmolekyler.

Solid state -film, der er nyligt påført mikroelektroniske enheder, deles undertiden fra hinanden ved temperaturer meget lavere end typiske smeltepunkter, på grund af den høje energi ved grænsefladen mellem filmen og substratet. Denne affugtningseffekt er i stigende grad problematisk ved nanoskala filmdimensioner; men det har også inspireret forskere på udkig efter en let måde at producere mønstrede substrater.

Liangxing Lu fra A*STAR Institute of High Performance Computing og kolleger demonstrerede for nylig, at metalfilm kan omdannes til 'nano-aperture' arrays-små porer med dimensioner, der kan kontrolleres ned til 10 nanometer-ved at udføre affugtning på overfladeskabeloner, der indeholder 3 -D kamme og krusninger. Imidlertid, teamet fandt ud af, at skabelonerne kun producerede nanoåbninger fra metalfilm af en vis tykkelse; Ellers, tilfældige nanodot -funktioner dukkede op.

"Mange faktorer påvirker affugtningsprocessen, og der er også mange typer af ligevægtsstrukturer, "siger Lu." At finde betingelserne for udvalgte morfologier er kompleks og vanskelig. "

For at bruge affugtning til andre nanostrukturformer, Lu og kolleger udviklede en brugerdefineret algoritme til at simulere affugtning af solid state. Deres teknik beregner alle mulige nanopatter til en affugtningsfilm på en skabelon og finder den laveste energikonfiguration. Derefter, diffusionsberegninger afslører, hvordan bevægelser mellem tilstødende nano-øer sænker systemets samlede frie energi.

"Denne model ignorerer den detaljerede kinetik, og analyserer i stedet diffusionsveje for ligevægtsmorfologier på et givet substrat, "forklarer Lu." De eneste drivkræfter er overflade- og grænsefladeenergierne, hvilket forenkler problemet. "

Gennem deres beregninger, forskerne fremstillede detaljerede beskrivelser af dråbe-koalescens inde i pitformede skabeloner, og perler på toppen af ​​bordlignende 'mesa' skabeloner. Derefter, de genererede fasediagrammer, der identificerede mulig affugtningsadfærd på forskelligt formede skabeloner - retningslinjer, der viste sig nyttige til fabrikationsforsøg.

Samarbejdspartnere ved A*STAR's Institute of Materials and Research Engineering verificerede denne analytiske tilgang ved at belægge 100-nanometer høje mesa-skabeloner med guldfilm, og derefter induceret befugtning ved opvarmning af substratet. Med elektronmikroskopibilleder, de fangede guld nanopatter, der matchede deres fasesimuleringer, med kun en undtagelse:fejl, såsom korngrænser, forstyrrede de naturlige befugtningsmønstre.

Lu mener, at sådanne grundlæggende fabrikationsindsigter kan hjælpe med at optimere affugtningsteknikker til metalliske forbindelser og gitre, såvel som væksten af ​​særlige morfologier, såsom nanotråde.