Vandforudsigelser:Fortæller, hvornår en nanolitografiskimmel vil bryde gennem dråber

Ultraviolet nanoimprint litografi (UV-NIL) er en fremstillingsteknik til fremstilling af nanostrukturer ved hjælp af UV-hærdelig harpiks. En af dens vigtigste fordele er dens rene enkelhed; UV-NIL består hovedsageligt af at hælde en flydende harpiks over en nanostruktureret form, få harpiksen til at størkne ved hjælp af UV-bestråling, og derefter frigøre det fra formen. Resultatet er en solid polymer med en nanostruktur, der er det omvendte af formens. Ved at bruge denne teknik, et stort udvalg af funktionelle enheder og tynde film kan fremstilles til applikationer inden for områder som optik, elektronik, sundhedspleje, biologi forskning, og solceller, for blot at nævne nogle få.

Det er sikkert at sige, at det mest værdifulde udstyr i hele UV-NIL-processen er master-formen. For at få dem til at holde længere, replika-forme fremstillet af master-formen fremstilles og bruges til masseproduktion af nanostrukturerede enheder. Imidlertid, disse replika-forme er ikke så holdbare som master-formen, og de begynder generelt at vise makroskopiske tegn på slid efter et par tusinde aftryk. Desværre, Der findes endnu ingen pålidelig og standardmetode til at forudsige levetiden for replikaforme.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nanomaterialer , forskere fra Tokyo University of Science og Autex Inc., Japan, kom med en smart strategi til at fortælle, hvornår en kopiform vil gå i stykker. Det lykkedes dem at gøre dette ved at se på vanddråber placeret oven på en form med et mønster af adskilte parallelle linjer og bemærke, hvordan dråbernes vedhæftning ændrer sig, efterhånden som formen slides og forvrænges ved brug.

Men hvordan fungerer sådan en metode? Væskedråber, der hviler på en overflade, har en målbar egenskab kaldet kontaktvinkel, som er den vinkel, hvorved væsken møder det faste stof ved grænsefladen. Denne vinkel er let målelig ved hjælp af kommercielle kamerabaserede systemer.

Nu, i en nanostruktureret form med parallelle linjer (riller), kontaktvinklen for vand udviser anisotropi, hvilket betyder, at det varierer i forskellige retninger. Mere specifikt, en vanddråbe placeret på en uberørt form med parallelle riller vil sprede sig langs rillernes retning mere end i retningen vinkelret på rillerne. Imidlertid, forskerne bemærkede, at da formen slides ved gentagen brug, kontaktvinklen ændrer sig forskelligt langs hver retning. Professor Jun Taniguchi fra Tokyo University of Science forklarer:"Efterhånden som antallet af anvendelser af formen stiger, kontaktvinklen langs retningen parallelt med rillerne aftager lineært. I modsætning, kontaktvinklen langs den vinkelrette retning falder meget hurtigere først og forbliver derefter på en konstant minimumværdi. Vi fandt ud af, at forme havde en tendens til at blive defekte næsten nøjagtigt, når antallet af gentagelser gjorde kontaktvinklerne i begge retninger ens."

Forskerne verificerede deres metode ved hjælp af forme med forskellige rillebredder, og resultaterne holdt op (se den medfølgende figur). Det betyder, at man kan lave præcise forudsigelser om den resterende levetid for en form med parallelle riller gennem en simpel proces. Først, kontrollere, at kontaktvinklen i vinkelret retning har nået en stabil minimumsværdi. Derefter, beregne den faldende linjefunktion med de lagrede værdier for kontaktvinklen langs den parallelle retning. Endelig, beregne antallet af anvendelser, hvorefter denne linje vil skære minimumsværdien; formen vil højst sandsynligt bryde omkring det tal.

Denne enkle tilgang vil være nyttig til at bestemme den forventede levetid for forme til UV-NIL. "Selvom vores metode kun er anvendelig til forme med parallelle riller, det kan bruges til at vurdere holdbarheden af ​​selve formmaterialerne; den forudsagte levetid for et formmateriale gælder for stort set enhver form, " bemærker hr. Shin Hiwasa fra Autex Inc. Samlet set, denne undersøgelse udfylder et vigtigt videnshul i UV-NIL, reducere de tilknyttede omkostninger ved at give en nem måde at forudsige, hvornår forme vil blive slidt.

Den foreslåede strategi vil forhåbentlig gøre denne nanoimprinting-teknik mere tilgængelig og pålidelig, fremme dens anvendelse både i forskning og anvendelser til hverdagslivet.