(PhysOrg.com) -- Een kluis, eenvoudig, en goedkope methode voor het maken van perfect geëtste micron en kleinere putjes in een verscheidenheid aan substraten is ontwikkeld door onderzoekers van het Department of Chemical Engineering van Penn State. Oppervlakken met vergelijkbare patronen worden momenteel gemaakt met behulp van complexe en dure fotolithografische methoden en etsprocessen onder cleanroom-omstandigheden en gebruikt bij de fabricage van veel optische, elektrisch, en mechanische apparaten.

De ontdekking van de nanowell werd gedaan in de laboratoria van Darrell Velegol en Seong Kim door de afgestudeerde student van Velegol, Neetu Chaturvedi, en Kim's afgestudeerde student, Erik Hsiao. Een artikel over hun onderzoek, "Maskerloze fabricage van nanowells met behulp van chemisch reactieve colloïden, ” verscheen in de online editie van het tijdschrift Nano-letters in januari 2011. In samenwerking met Chaturvedi, Hsiao werkte aan een project om polystyreen op een siliciumwafel te hechten om nanostructuren met bekende afmetingen te creëren. Toen Hsiao haar vroeg een van zijn monsters te verhitten, een miscommunicatie bracht haar ertoe de polystyreen- en siliciumwafel op lage temperatuur te verwarmen in water in de autoclaaf die normaal voor biologische monsters wordt gebruikt in plaats van in de vacuümoven. Toen ze naar de monsters keken onder de atoomkrachtmicroscoop (AFM), ze merkten dat er gaten waren gevormd onder de polystyreendeeltjes. Nader onderzoek onder de scanning elektronenmicroscoop (SEM) toonde ze perfect geëtst, piramidevormige gaten in het substraat onder de plaatsen waar de amidine-gefunctionaliseerde polystyreenlatex colloïdedeeltjes zich hadden gehecht aan het siliciumdioxide op het oppervlak van de siliciumwafel.

"We zagen drie gaten in het monster bij de eerste AFM-beeldvorming en wisten niet wat het betekende, omdat we pannenkoekachtige polymeerpatches op het monster verwachtten, ' zei Hsiao. Ze namen het monster mee naar hun adviseurs, die allebei verrast waren door de geëtste wafel. Door de stappen te overlopen die de leerlingen hadden genomen, de onderzoekers realiseerden zich dat de putjes werden geproduceerd toen het water de amidinegroep in het deeltje hydroliseerde, en door een reeks chemische reacties, creëerde een hydroxide-ion dat de put in de siliciumwafel etste. De gaten waren uniform en hun grootte en diepte waren volledig afhankelijk van de grootte van het oorspronkelijke polystyreendeeltje, hoewel de oriëntatie van het siliciumkristal de vorm van de putjes beïnvloedde. In één richting (100), de putten waren perfecte vierzijdige omgekeerde piramides. In de andere richting (111) de putten waren perfecte zeshoeken. De vier onderzoekers noemden ze nanowells, omdat de onderste afmeting van de putten slechts een paar nanometer breed was. Ze realiseerden zich al snel dat ze een nieuwe maskerloze methode hadden ontdekt om structuren in silicium te maken zonder de uitgebreide stappen die normaal in de cleanroom nodig zijn.

"We leveren hydroxide-ionen rechtstreeks aan waar we willen etsen, ’ legde Velegol uit. “Het is veel veiliger en goedkoper dan elektronenstraal- en röntgenlithografie. Het is zo veilig dat je deze deeltjes praktisch zonder schade zou kunnen eten.”

“We denken dat dit een vrij algemene ontdekking is, ' voegde Kim eraan toe. “Het is een manier om chemie lokaal te leveren in plaats van in bulk. veel metalen, keramiek, en andere materialen kunnen met deze techniek worden geëtst.”

Een ander potentieel voordeel van de ontdekking is de mogelijkheid om patronen te creëren op gebogen oppervlakken, iets dat moeilijk te doen is met conventionele fotolithografie. Omdat de deeltjes in water zijn gesuspendeerd, ze kunnen zich aan het oppervlak van elke vorm hechten en gelijkmatig over het oppervlak verdelen. De onderzoekers beginnen net met intrigerende ideeën te komen voor het gebruik van de eenvoudige techniek.

Veel doorbraken komen voort uit ongelukken, Velegol merkte op, want als iets eenmaal bekend is, mensen werken er heel snel aan totdat ze alle stukjes hebben ingevuld en er minder te ontdekken valt. Ongevallen vallen buiten het patroon. "Het is een van die situaties, zoals Pasteur zei, waar het toeval de voorbereide geest bevoordeelt. We hadden er zelfs nooit aan gedacht om dit soort chemie te proberen. Maar Neetu werkte al enkele jaren met deze colloïden, en Erik had ervaring met de AFM, dus ze waren goed voorbereid om te profiteren van het ongeval, ’ concludeerde Velegol.