Wetenschappers van het California Institute of Technology hebben het fysieke mechanisme ontdekt waarmee arrays van pilaren op nanoschaal met zeer hoge precisie op polymeerfilms kunnen worden gekweekt. in potentieel onbegrensde patronen.

Dit nanofluïdische proces, ontwikkeld door Sandra Troian, hoogleraar toegepaste natuurkunde, luchtvaart, en werktuigbouwkunde bij Caltech, en beschreven in een recent artikel in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven -- zou ooit de conventionele lithografische patroontechnieken kunnen vervangen die nu worden gebruikt om driedimensionale nano- en microschaalstructuren te bouwen voor gebruik in optische, fotonisch, en biofluïdische apparaten.

De fabricage van hoge resolutie, nanoarrays met een groot oppervlak zijn sterk afhankelijk van conventionele fotolithografische patroontechnieken, die behandelingen omvatten met ultraviolet licht en agressieve chemicaliën die afwisselend siliciumwafels en andere materialen oplossen en etsen. Fotolithografie wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen en micro-elektromechanische apparaten te fabriceren, bijvoorbeeld.

Echter, de herhaalde cycli van oplossen en etsen veroorzaken een aanzienlijke hoeveelheid oppervlakteruwheid in de nanostructuren, uiteindelijk hun prestaties beperken.

"Dit proces is ook inherent tweedimensionaal, en dus moeten driedimensionale structuren laag voor laag worden gemodelleerd, ' zegt Trojan.

In een poging om de kosten te drukken, verwerkingstijd, en ruwheid, onderzoekers hebben alternatieve technieken onderzocht waarmee gesmolten films in situ van een patroon kunnen worden voorzien en gestold, en in een enkele stap.

Ongeveer een decennium geleden, groepen in Duitsland, China, en de Verenigde Staten kwamen een bizar fenomeen tegen tijdens het gebruik van technieken met thermische gradiënten. Toen nanofilms van gesmolten polymeer werden ingebracht in een smalle opening die twee siliciumwafels scheidde die op verschillende temperaturen werden gehouden, arrays van pilaren op nanoschaal ontwikkelden zich spontaan.

Deze uitsteeksels groeiden tot ze de bovenste wafel bereikten; de resulterende pilaren waren typisch enkele honderden nanometers hoog en enkele microns uit elkaar.

Deze pijlers vloeiden soms samen, patronen vormen die van bovenaf op fietskettingen leken; in andere films, de pilaren groeiden gelijkmatig uit elkaar, honingraatachtige arrays. Nadat het systeem weer op kamertemperatuur was gebracht, de structuren stolden op hun plaats om zelfgeorganiseerde functies te produceren.

In 2002, onderzoekers in Duitsland die dit fenomeen hadden waargenomen, veronderstelden dat de pilaren voortkomen uit oneindig kleine - maar zeer reële - drukfluctuaties langs het oppervlak van een verder rustige vlakke film. Ze stelden voor dat de verschillen in oppervlaktedruk werden veroorzaakt door even kleine variaties in de manier waarop individuele pakketjes (of quanta) van trillingsenergie, bekend als fononen, weerkaatsen van de film interfaces.

"In hun model het verschil in akoestische impedantie tussen de lucht en het polymeer wordt verondersteld een onbalans in de fononflux te veroorzaken die een stralingsdruk veroorzaakt die de film destabiliseert, pijlervorming mogelijk maken, " zegt Troian. "Hun mechanisme is het akoestische analoog van de Casimir-kracht, dat is heel bekend bij natuurkundigen die op nanoschaal werken."

Maar Trojan, die bekend was met thermische effecten op kleine schaal - en wist dat de voortplanting van deze fononen eigenlijk onwaarschijnlijk is in amorfe polymeersmelten, die geen interne periodieke structuur hebben - onmiddellijk erkend dat een ander mechanisme op de loer zou kunnen liggen in dit systeem.

Om de werkelijke oorzaak van de vorming van nanopijlers te bepalen, zij en Caltech-postdoctoraal onderzoeker Mathias Dietzel ontwikkelden een vloeistofdynamisch model van hetzelfde type dunne, gesmolten nanofilm in een thermische gradiënt.

hun voorbeeld, Trojan zegt, "vertoonde een zelforganiserende instabiliteit die in staat was om de vreemde formaties te reproduceren, " en toonde aan dat nanopilaren, in feite, vorm niet via drukfluctuaties maar door een eenvoudig fysiek proces dat bekend staat als thermocapillaire stroming.

In capillaire stroming - of capillaire werking - de aantrekkende kracht, of samenhang, tussen moleculen van dezelfde vloeistof (zeg, water) produceert oppervlaktespanning, de samendrukkende kracht die verantwoordelijk is voor het bij elkaar houden van een druppel water. Omdat oppervlaktespanning de neiging heeft om het oppervlak van een vloeistof te minimaliseren, het fungeert vaak als een stabiliserend mechanisme tegen vervorming veroorzaakt door andere krachten. Verschillen in temperatuur langs een vloeistofgrensvlak, echter, verschillen in oppervlaktespanning veroorzaken. In de meeste vloeistoffen koelere regio's zullen een hogere oppervlaktespanning hebben dan warmere - en deze onbalans kan ervoor zorgen dat de vloeistof van warmere naar koelere temperatuurregio's stroomt, een proces dat bekend staat als thermocapillaire stroming.

Eerder, Troian heeft dergelijke krachten gebruikt voor microfluïdische toepassingen, om druppels van het ene punt naar het andere te verplaatsen.

"Je kunt dit effect heel mooi zien als je een ijsblokje in een cijfer acht beweegt onder een metalen plaat bedekt met een vloeistof zoals glycerol, "zegt ze. "De vloeistof borrelt op boven de kubus terwijl deze de figuur uittekent. Je kunt je naam op deze manier tekenen, en, vooruit! Je hebt een nieuwe vorm van thermocapillaire lithografie in handen!"

in hun Fysieke beoordelingsbrieven papier, Troian en Dietzel lieten zien hoe dit effect theoretisch alle andere krachten op nanoschaaldimensies kan domineren, en toonde ook aan dat het fenomeen niet eigen is aan polymeerfilms.

In de thermische-gradiënt experimenten, ze zeggen, de uiteinden van de kleine uitsteeksels in de polymeerfilm ervaren een iets koudere temperatuur dan de omringende vloeistof, vanwege hun nabijheid tot de koelere wafer.

"De oppervlaktespanning bij een evoluerende punt is net iets groter, en dit zorgt voor een zeer sterke kracht parallel aan de lucht/polymeer interface, waardoor de vloeistof naar de koelere wafel wordt geleid. Hoe dichter de punt bij de wafel komt, hoe kouder het wordt, leidt tot een zichzelf versterkende instabiliteit, ' legt Trojan uit.

uiteindelijk, ze zegt, "Je kunt eindigen met zeer lange kolomvormige structuren. De enige beperking aan de hoogte van de kolom, of nanopijler, is de scheidingsafstand van de wafels."

Bij computermodellen is de onderzoekers waren in staat om gerichte variaties in de temperatuur van het koelere substraat te gebruiken om precies het patroon te controleren dat in de nanofilm wordt gerepliceerd. In een zo'n model is ze creëerden een driedimensionaal "nanorelief" van het Caltech-logo.

Troian en haar collega's beginnen nu met experimenten in het laboratorium waarin ze hopen een diverse reeks optische en fotonische elementen op nanoschaal te fabriceren. "We zoeken naar nanostructuren met spiegelgladde oppervlakken - zo glad als je ze ooit zou kunnen maken - en 3D-vormen die niet gemakkelijk bereikbaar zijn met conventionele lithografie, ' zegt Trojan.

"Dit is een voorbeeld van hoe basiskennis van de principes van natuurkunde en mechanica kan leiden tot onverwachte ontdekkingen die verstrekkende, Praktische implicaties, " zegt Ares Rosakis, voorzitter van de afdeling Engineering and Applied Science (EAS) en Theodore von Kármán hoogleraar Luchtvaart en Werktuigbouwkunde aan Caltech. "Dit is de echte kracht van de EAS-divisie."

Meer informatie: Fys. ds. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Bron:California Institute of Technology (nieuws:web)