Het maken van driedimensionale nanogestructureerde materialen - materialen met onderscheidende vormen en structuren op een schaal van enkele miljardsten van een meter - is een vruchtbaar onderzoeksgebied geworden, het produceren van materialen die nuttig zijn voor elektronica, fotonica, phononics en biomedische apparaten. Maar de methoden om dergelijke materialen te maken zijn beperkt in de 3D-complexiteit die ze kunnen produceren. Nutsvoorzieningen, een MIT-team heeft een manier gevonden om meer gecompliceerde structuren te produceren door een combinatie van de huidige "top-down" en "bottom-up" benaderingen te gebruiken.

Het werk wordt beschreven in een artikel dat in juni in het tijdschrift is gepubliceerd Nano-letters , co-auteur van postdoc Chih-Hao Chang; George Barbastathis, de Singapore Research Professor of Optics en Professor of Mechanical Engineering; en zes MIT-afgestudeerde studenten.

Een benadering voor het maken van driedimensionale nanostructuren - een top-down benadering - wordt faseverschuivingslithografie genoemd, waarin een tweedimensionaal masker de intensiteit van het licht dat op een laag fotoresistmateriaal schijnt vormgeeft (op dezelfde manier regelt een fotografisch negatief de hoeveelheid licht die verschillende delen van een afdruk bereikt). De fotoresist wordt alleen gewijzigd in de gebieden die door het licht worden bereikt. Echter, deze aanpak vereist zeer nauwkeurig vervaardigde fasemaskers, die duur en tijdrovend zijn om te maken.

Een andere methode - een bottom-up benadering - is het gebruik van zelfassemblerende colloïdale nanodeeltjes die zichzelf vormen tot bepaalde energetisch gunstige dicht opeengepakte arrangementen. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt als masker voor fysieke depositiemethoden, zoals dampafzetting, of etsen van het oppervlak, om 2D-structuren te produceren, net zoals een stencil kan worden gebruikt om te bepalen waar verf een oppervlak bereikt. Maar deze methoden zijn traag en worden beperkt door defecten die zich kunnen vormen tijdens het zelfassemblageproces, dus hoewel ze kunnen worden gebruikt voor de fabricage van 3D-structuren, dit wordt bemoeilijkt omdat eventuele defecten zich door de lagen voortplanten.

"We doen een beetje van beide, " Zegt Chang. "We namen de methode van een chemicus en voegden er een vleugje techniek aan toe."

De nieuwe methode is een hybride waarbij de zelf-geassembleerde array direct op een substraatmateriaal wordt geproduceerd, het uitvoeren van de functie van een masker voor het lithografieproces. De individuele nanodeeltjes die zich op het oppervlak verzamelen, fungeren elk als kleine lenzen, het focussen van de straal in een intensiteitspatroon dat wordt bepaald door hun plaatsing op het oppervlak. De methode, de auteurs zeggen in hun paper, "kan worden geïmplementeerd als een nieuwe techniek om complexe 3D-nanostructuren te fabriceren op alle gebieden van onderzoek op nanoschaal."

Afhankelijk van de vormen en rangschikkingen van de kleine glaskralen die ze gebruiken voor het zelfassemblagegedeelte van het proces, het is mogelijk om een ​​grote verscheidenheid aan structuren te creëren, "van gaten tot palen met een hogere dichtheid, ringen, bloemrijke structuren, allemaal met exact hetzelfde systeem, ", zegt Chang. "Het is een heel eenvoudige manier om 3D-nanostructuren te maken, en waarschijnlijk de goedkoopste manier op dit moment. Je kunt het voor veel dingen gebruiken."

Leden van het team, wiens specialiteit is in optica, zeggen dat de eerste structuren die ze van plan zijn te maken fotonische kristallen zijn, waarvan de structuur het gedrag van lichtstralen die er doorheen gaan kan manipuleren. Maar de methode kan ook worden gebruikt om fononische materialen te maken, die golven van warmte of geluid beheersen, of zelfs om filters te maken met een nauwkeurig gecontroleerde porositeit, die mogelijk biomedische toepassingen hebben.

John Rogers SM '92, doctoraat '95, een professor in materiaalkunde en techniek en professor in de chemie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die niet betrokken was bij dit werk, zegt dat deze MIT-onderzoekers "een opmerkelijk eenvoudige manier hebben gevonden om iets heel moeilijks te doen in nanofabricage, d.w.z., grootschalige, driedimensionale nanostructuren met bruikbare vormen."

Rogers zegt, "De experimentele eenvoud, en de daaruit voortvloeiende toegang tot structuren die op andere manieren moeilijk of onmogelijk te realiseren zijn, suggereren dat de aanpak nuttig zal zijn voor vele toepassingsgebieden, variërend van fotonische kristallen tot gemanipuleerde filtermembranen en andere."