Сканерлік зондтық литография және наноқұрылымдар жасау техникасы
Dip-pen nanolithography
Нанолитография: DPN әдісімен 100 нм-ден кіші масштабта өрнектер жасау. AFM ұшын қолданып, наноматериалдарды тікелей жаба аласыз. Технология туралы біліңіз!
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сканерлеу зондты литографиялық техника
Scanning probe lithographic technique
Дип пенальдық нанолитография (DPN) – әртүрлі сиялармен әр түрлі материалдарға тікелей өрнектер жасау үшін қолданылатын сканерлеу зондты литографиялық техника, онда атомдық күш микроскопының (AFM) ұшы пайдаланылады. Бұл техниканың кең таралған мысалы – алтын бетіне басып шығару үшін алкан тиолаттарын қолдану. Бұл әдіс 100 нанометрден кіші масштабта беттерді өрнектеуге мүмкіндік береді. DPN – қаламға батырылатын қаламның (кейде қалам қалам деп те аталады) нанотехнологиялық аналогы, онда атомдық күш микроскопының консолінің ұшы "қалам" рөлін атқарады, ол "сия" қызметін атқаратын химиялық қосылыс немесе қоспамен жабылады және "қағаз" рөліндегі субстратқа жанасады. DPN наноөлшемді материалдарды субстратқа икемді түрде тікелей орналастыруға мүмкіндік береді. Жақындағы жетістіктер 55 000 ұштың екі өлшемді массивтерін пайдаланып, жаппай параллель өрнектер жасау мүмкіндігін көрсетті. Бұл технологияның қолданылу салалары қазіргі таңда химия, материалтану және тіршілік ғылымдары салаларын қамтиды, соның ішінде жоғары тығыздықты биологиялық наномассивтерді жасау және қосымша фотомаскаларды жөндеу сияқты жұмыстар да бар.
Dip pen nanolithography (DPN) is a scanning probe lithography technique where an atomic force microscope (AFM) tip is used to create patterns directly on a range of substances with a variety of inks. A common example of this technique is exemplified by the use of alkane thiolates to imprint onto a gold surface. This technique allows surface patterning on scales of under 100 nanometers. DPN is the nanotechnology analog of the dip pen (also called the quill pen), where the tip of an atomic force microscope cantilever acts as a "pen", which is coated with a chemical compound or mixture acting as an "ink", and put in contact with a substrate, the "paper". DPN enables direct deposition of nanoscale materials onto a substrate in a flexible manner. Recent advances have demonstrated massively parallel patterning using two dimensional arrays of 55,000 tips. Applications of this technology currently range through chemistry, materials science, and the life sciences, and include such work as ultra high density biological nanoarrays, and additive photomask repair.
Даму
Молекулалық "сияның" жабық AFM ұшынан субстратқа бақылаусыз ауысуы туралы алғаш рет 1995 жылы Jaschke және Butt хабарлады, бірақ олар алканетиолдар алтын субстраттарына ауыстырылып, тұрақты наноқұрылымдарды қалыптастыра алмайды деген бұрыс қорытындыға келді. АҚШ-тың Солтүстік-Батыс университетінде Чад Миркин басқаратын зерттеу тобы бұл процесті тәуелсіз зерттеді және тиісті жағдайларда молекулаларды әртүрлі беттерге көшіруге болады, осы арқылы тұрақты химиялық адсорбцияланған моноқабаттарды "DPN" деп аталатын жоғары ажыратымды литографиялық процесте жасауға болады деп анықтады. Миркин мен оның әріптестері осы процеске патент алған, ал суреттеу техникасы сұйық "сияны" да қамтиды. "Сұйық сиялардың" "молекулалық сияларға" қарағанда өте ерекше жинақталу механизмімен басқарылатынын атап өту маңызды.
The uncontrollable transfer of a molecular "ink" from a coated AFM tip to a substrate was first reported by Jaschke and Butt in 1995, but they erroneously concluded that alkanethiols could not be transferred to gold substrates to form stable nanostructures. A research group at Northwestern University, US led by Chad Mirkin independently studied the process and determined that under the appropriate conditions, molecules could be transferred to a wide variety of surfaces to create stable chemically adsorbed monolayers in a high resolution lithographic process they termed "DPN". Mirkin and his coworkers hold the patents on this process, and the patterning technique has expanded to include liquid "inks". It is important to note that "liquid inks" are governed by a very different deposition mechanism when compared to "molecular inks".
Қолданбалар
Жақсы DPN қолданбасын анықтау үшін, DPN-нің басқа техникаларға қол жеткізе алмайтын мүмкіндіктерін түсіну маңызды. Тікелей жазу техникалары, мысалы, контакттік басып шығару, бірнеше биологиялық материалдарды үлгілей алады, бірақ субклеткалық деңгейдегі ажыратымдылықпен элементтер жасауға қабілетті емес. Көптеген жоғары ажыратымды литография әдістері микрометрден кішкентай өлшемде үлгілер жасаса да, олар биомолекулаларды шоғырландыру және жасуша өсіру үшін арналмаған, қымбат жабдықтарды талап етеді. Микроконтакттік басып шығару биомолекулаларды бөлме температурасында басып шығара алады, бірақ наноөлшемді дәлдікпен бірнеше материалды үлгілеуге мүмкіндік бермейді.
In order to define a good DPN application, it is important to understand what DPN can do that other techniques cannot. Direct write techniques, like contact printing, can pattern multiple biological materials but it cannot create features with subcellular resolution. Many high resolution lithography methods can pattern at sub micrometre resolution, but these require high cost equipment that were not designed for biomolecule deposition and cell culture. Microcontact printing can print biomolecules at ambient conditions, but it cannot pattern multiple materials with nanoscale registry.
Тікелей жазу
DPN – тікелей жазу техникасы, сондықтан оны жоғарыдан төменге және төменнен жоғарыға литографиялық қолдануларда пайдалануға болады. Жоғарыдан төменге жұмыс істегенде, ұштар материалды бетке жеткізіп, одан кейін стандартты гравировка процесі жүргізіледі. Төменнен жоғарыға қолдануда, қызығушылық тудыратын материал ұштар арқылы тікелей бетке жеткізіледі.
DPN is a direct write technique so it can be used for top down and bottom up lithography applications. In top down work, the tips are used to deliver an etch resist to a surface, which is followed by a standard etching process. In bottom up applications, the material of interest is delivered directly to the surface via the tips.
Термиялық суға батыру калемінің литографиясы
Нанобөлшектерді жағу үшін қыздырылатын зонд ұшын қолданатын Dip Pen Lithography (tDPL) термиялық Dip Pen Lithography (tDPL) әдісі де көрсетілді. Осы әдіс арқылы жартылай өткізгіш, магниттік, металл немесе оптикалық белсенді нанобөлшектерді субстратқа жазуға болады. Бөлшектер полиметилметакрилат (ПММА) немесе оған баламалы полимерлік матрицада суспензияланған күйде болады және ағып бастағанша зонд ұшымен қыздырылады. Зонд ұшы наноқалам қызметін атқарады және нанобөлшектерді бағдарламаланған құрылымға орналастыра алады. Нанобөлшектердің өлшеміне байланысты 78–400 нм ажыратымдылыққа қол жеткізілді. ПММА матрицасын жою үшін O2 плазмалық кескіш қолданылуы мүмкін, ал темір оксиді нанобөлшектері жағдайында сызықтардың ажыратымдылығы 10 нм-ге дейін төмендетілуі мүмкін.
A heated probe tip version of Dip Pen Lithography has also been demonstrated, thermal Dip Pen Lithography (tDPL), to deposit nanoparticles. Semiconductor, magnetic, metallic, or optically active nanoparticles can be written to a substrate via this method. The particles are suspended in a Poly(methyl methacrylate) (PMMA) or equivalent polymer matrix, and heated by the probe tip until they begin to flow. The probe tip acts as a nano pen, and can pattern nanoparticles into a programmed structure. Depending on the size of the nanoparticles, resolutions of 78–400 nm were attained. An O2 plasma etch can be used to remove the PMMA matrix, and in the case of Iron Oxide nanoparticles, further reduce the resolution of lines to 10 nm.
Басқа әдістермен тікелей салыстыру
DPN-ге ең көп айтылатын сын – үлгі жасау жылдамдығы. Мұның себебі оның басқа техникалармен салыстырылуында, оның ішкі кемшіліктерінде емес. Мысалы, жұмсақ литография әдісі, микроконтактты басып шығару (μCP) – қазіргі кездегі төмен құнмен, зертханада қолданылатын микро және нано масштабты үлгілеу стандарты, сондықтан DPN-ді микроконтактты басып шығарумен тікелей салыстыру себебін түсіну оңай. Мәселе мынада, салыстырулар көбінесе бейтарап қолданысқа емес, μCP-ге өте қолайлы қолданыстарға негізделген. μCP, фотолитография сияқты, бір ғана басып шығару қадамында бір материалды үлкен аумаққа түсіре алады, ал фотолитография бір ғана экспозицияда үлкен аумақты үлгілей алады. Әрине, DPN басқа техниканың артықшылықтарымен салыстырылғанда баяу. DPN – маскасыз тікелей жазу әдісі, оны бір субстратқа әртүрлі өлшемдегі, пішіндегі және ерекшеліктері бар көптеген үлгілерді жасау үшін қолдануға болады. Ешкім мұндай жобаға микроконтактты басып шығаруды қолданбас еді, себебі әрбір жаңа үлгіге әрбір штампты жасауға кеткен уақыт пен ақшаның өтелуі мүмкін емес. Егер олар қолданса да, микроконтактты басып шығару бірнеше штамптан наноөлшемдегі дәлдікпен бірнеше материалды сәйкестендіре алмас еді. Бұл қате түсінікті түсінудің ең жақсы жолы – фотолитография мен электронды сәулелі литографияны қолданудың әртүрлі тәсілдері туралы ойлау. Ешкім фотолитография мәселесін шешу үшін электронды сәулені қолданып, содан кейін оны "өте баяу" деп мәлімдемес еді. Фотолитографияның үлкен аумақты үлгілеу мүмкіндіктерімен тікелей салыстырғанда электронды сәулелі литография баяу, бірақ электронды сәулелі құралдарды әлемнің кез келген зертханасы мен нанофабрикасында табуға болады. Мұның себебі – электронды сәуленің фотолитографиямен салыстыруға келмейтін ерекше мүмкіндіктері бар, дәл сол сияқты DPN-нің микроконтактты басып шығарумен салыстыруға келмейтін ерекше мүмкіндіктері бар.
The criticism most often directed at DPN is the patterning speed. The reason for this has more to do with how it is compared to other techniques rather than any inherent weaknesses. For example, the soft lithography method, microcontact printing (μCP), is the current standard for low cost, bench top micro and nanoscale patterning, so it is easy to understand why DPN is compared directly to microcontact printing. The problem is that the comparisons are usually based upon applications that are strongly suited to μCP, instead of comparing them to some neutral application. μCP has the ability to pattern one material over a large area in a single stamping step, just as photolithography can pattern over a large area in a single exposure. Of course DPN is slow when it is compared to the strength of another technique. DPN is a maskless direct write technique that can be used to create multiple patterns of varying size, shape, and feature resolution, all on a single substrate. No one would try to apply microcontact printing to such a project because then it would never be worth the time and money required to fabricate each master stamp for each new pattern. Even if they did, microcontact printing would not be capable of aligning multiple materials from multiple stamps with nanoscale registry. The best way to understand this misconception is to think about the different ways to apply photolithography and e beam lithography. No one would try to use e beam to solve a photolithography problem and then claim e beam to be "too slow". Directly compared to photolithography's large area patterning capabilities, e beam lithography is slow and yet, e beam instruments can be found in every lab and nanofab in the world. The reason for this is because e beam has unique capabilities that cannot be matched by photolithography, just as DPN has unique capabilities that cannot be matched by microcontact printing.
Атомдық күш микроскопиясына қосылу
DPN тікелей AFM-нен дамығандықтан, кез келген коммерциялық AFM DPN эксперименттерін жүргізе алады деп ойлау түсінікті. Бірақ шындығында, DPN-ға AFM міндетті түрде қажет емес, және AFM-нің құрамында нақты DPN мүмкіндіктері болуы да шарт емес. Бұл сканды электронды микроскопия (СЭМ) мен электронды сәуле (E-сәуле) литографиясының арасындағы жақсы салыстыруға ұқсайды. E-сәуле СЭМ технологиясынан тікелей пайда болды, екеуі де шоғырланған электронды сәулені пайдаланады, бірақ тиісті литографиялық жабдық пен бағдарламалық құралдары жоқ СЭМ-де қазіргі заманғы E-сәуле литографиясын жүргізу мүмкін емес. Сонымен қатар, DPN-нің ерекше қасиеттерінің бірі – күштен тәуелсіздігін ескеру маңызды. Көптеген бояу-субстрат комбинацияларында, ұштың бетке қаншалықты күшпен басылғанына қарамастан, бірдей өлшемдегі сурет түзіледі. Егер берік SiN ұштары қолданылса, күрделі кері байланыс электроникасы, лазерлер, төрт фотодиод және AFM қажеттілігі тумайды.
DPN evolved directly from AFM so it is not a surprise that people often assume that any commercial AFM can perform DPN experiments. In fact, DPN does not require an AFM, and an AFM does not necessarily have real DPN capabilities. There is an excellent analogy with scanning electron microscopy (SEM) and electron beam (E beam) lithography. E beam evolved directly from SEM technology and both use a focused electron beam, but it is not possible to perform modern E beam lithography experiments on a SEM that lacks the proper lithography hardware and software components. It is also important to consider one of the unique characteristics of DPN, namely its force independence. With virtually all ink/substrate combinations, the same feature size will be patterned no matter how hard the tip is pressing down against the surface. As long as robust SiN tips are used, there is no need for complicated feedback electronics, no need for lasers, no need for quad photo diodes, and no need for an AFM.