Введение
Техника сканирующей зондовой литографии
Нанолитография с помощью пера (DPN) – это техника сканирующей зондовой литографии, в которой кончик атомно-силового микроскопа (AFM) используется для создания рисунков непосредственно на различных материалах с использованием разнообразных «чернил». Типичным примером этой техники является использование алкантиолатов для нанесения рисунка на золотую поверхность. Эта техника позволяет создавать поверхностные структуры с размерами менее 100 нанометров. DPN обеспечивает гибкое осаждение наноматериалов непосредственно на подложку. Недавние достижения продемонстрировали возможность массивно-параллельного формирования рисунков с использованием двухмерных массивов из 55 000 наконечников. Области применения этой технологии охватывают химию, материаловедение и биологию, включая создание сверхплотных биологических наноструктур и аддитивный ремонт фотошаблонов.
Разработка
Неконтролируемая передача молекулярных "чернил" с покрытого наконечника AFM на подложку была впервые описана Яшке и Баттом в 1995 году, однако они ошибочно заключили, что алкантиолы не могут быть перенесены на золотые подложки для формирования стабильных наноструктур. Исследовательская группа из Северо-Западного университета (США) под руководством Чада Миркина независимо изучала этот процесс и установила, что при определенных условиях молекулы могут быть перенесены на широкий спектр поверхностей для создания стабильных химически адсорбированных монослоев в литографическом процессе высокого разрешения, который они назвали "DPN". Миркин и его коллеги владеют патентами на этот процесс, а технология формирования рисунков расширилась и включает в себя жидкие "чернила". Важно отметить, что механизм осаждения "жидких чернил" существенно отличается от механизма осаждения "молекулярных чернил".
Приложения
Для того, чтобы определить хорошее применение DPN, важно понять, что DPN может делать, чего не могут другие методы. Методы прямой записи, такие как контактная печать, позволяют создавать рисунки из различных биологических материалов, но не способны формировать структуры с субклеточным разрешением. Многие методы литографии с высоким разрешением позволяют создавать рисунки с разрешением менее микрометра, однако для этого требуется дорогостоящее оборудование, не предназначенное для осаждения биомолекул и культивирования клеток. Микроконтактная печать позволяет наносить биомолекулы в условиях окружающей среды, но не обеспечивает создание рисунков из нескольких материалов с наноразмерной точностью позиционирования.
Прямая запись
DPN – это метод прямой записи, поэтому он может применяться как в литографии сверху вниз, так и снизу вверх. В случае литографии сверху вниз наконечники используются для нанесения фоторезиста на поверхность, после чего следует стандартный процесс травления. В случае литографии снизу вверх материал, который необходимо нанести, доставляется непосредственно на поверхность с помощью наконечников.
Литография с термическим пером
Также была продемонстрирована версия литографии с помощью перового наконечника с подогревом, термическая литография с помощью перового наконечника (tDPL), для осаждения наночастиц. С помощью этого метода на подложку можно наносить полупроводниковые, магнитные, металлические или оптически активные наночастицы. Частицы суспендируются в полиметилметакрилате (ПММА) или эквивалентной полимерной матрице и нагреваются наконечником зонда до начала их течения. Наконечник зонда действует как нано-перо и позволяет создавать из наночастиц заданную структуру. В зависимости от размера наночастиц достигалось разрешение от 78 до 400 нм. Для удаления ПММА-матрицы можно использовать плазменную обработку кислородом, а в случае наночастиц оксида железа возможно дальнейшее уменьшение разрешения линий до 10 нм.
Прямые сравнения с другими методами
Наиболее частая критика DPN касается скорости нанесения рисунка. Причина этого заключается не столько в каких-либо внутренних недостатках, сколько в том, с какими методами его сравнивают. Например, метод мягкой литографии, микроконтактная печать (μCP), является текущим стандартом для недорогого микро- и наноразмерного нанесения рисунка непосредственно в лаборатории, поэтому понятно, почему DPN сравнивают именно с микроконтактной печатью. Проблема в том, что эти сравнения обычно проводятся на основе задач, для которых μCP особенно хорошо подходит, а не с использованием нейтральных задач. μCP позволяет наносить один материал на большую площадь за один шаг, как и фотолитография может наносить рисунок на большой площади за одну экспозицию. Разумеется, DPN будет медленным, если сравнивать его с преимуществами другого метода. DPN – это метод прямой записи без использования маски, который позволяет создавать множество рисунков различного размера, формы и разрешения на одной подложке. Никто не стал бы использовать микроконтактную печать для такого проекта, поскольку это потребовало бы слишком больших затрат времени и денег на изготовление мастер-штампа для каждого нового рисунка. Даже если бы это было возможно, микроконтактная печать не смогла бы выровнять несколько материалов с нескольких штампов с наноразмерной точностью. Лучший способ развеять это заблуждение – рассмотреть различные способы применения фотолитографии и электронно-лучевой литографии. Никто не стал бы использовать электронный луч для решения задачи фотолитографии, а затем утверждать, что электронный луч "слишком медленный". По сравнению с возможностями фотолитографии по нанесению рисунка на большие площади, электронно-лучевая литография действительно медленнее, но при этом электронно-лучевые установки можно найти в каждой лаборатории и нанофабрике в мире. Это объясняется тем, что электронный луч обладает уникальными возможностями, недоступными для фотолитографии, точно так же, как DPN обладает уникальными возможностями, недоступными для микроконтактной печати.
Подключение к атомной силовой микроскопии
DPN развился непосредственно из AFM, поэтому неудивительно, что многие считают, что любой коммерческий AFM способен проводить эксперименты DPN. Однако для проведения DPN не требуется AFM, и наличие AFM не гарантирует возможности выполнения экспериментов DPN. Хорошая аналогия – сканирующая электронная микроскопия (SEM) и литография электронным пучком (E-beam). E-beam развился непосредственно из технологии SEM, и обе методики используют сфокусированный электронный луч, но современную литографию E-beam невозможно выполнить на SEM, не оснащенном соответствующим аппаратным и программным обеспечением для литографии. Важно также учитывать одну из уникальных особенностей DPN – его независимость от приложенной силы. Практически для любых комбинаций "чернила/подложка" размер формируемого элемента будет одинаковым, независимо от силы прижатия наконечника к поверхности. При использовании прочных наконечников из нитрида кремния нет необходимости в сложной системе обратной связи, лазерах, четырехфотодренах или AFM.