Met behulp van een techniek die bekend staat als thermochemische nanolithografie (TCNL), onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om ferro-elektrische structuren op nanometerschaal rechtstreeks op flexibele plastic substraten te fabriceren die niet bestand zijn tegen de verwerkingstemperaturen die normaal nodig zijn om dergelijke nanostructuren te maken.

De techniek, die een verwarmde atomic force microscope (AFM) tip gebruikt om patronen te produceren, hoge dichtheid zou kunnen vergemakkelijken, goedkope productie van complexe ferro-elektrische structuren voor arrays voor het oogsten van energie, sensoren en actuatoren in nano-elektromechanische systemen (NEMS) en micro-elektromechanische systemen (MEMS). Het onderzoek werd op 15 juli gerapporteerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"We kunnen direct piëzo-elektrische materialen maken in de vorm die we willen, waar we ze willen hebben, op flexibele substraten voor gebruik bij energiewinning en andere toepassingen, " zei Nazanin Bassiri-Gharb, co-auteur van het artikel en een assistent-professor aan de School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Dit is de eerste keer dat structuren zoals deze direct zijn gegroeid met een CMOS-compatibel proces met zo'n kleine resolutie. We zijn niet alleen in staat geweest om deze ferro-elektrische structuren te kweken bij lage substraattemperaturen, maar we hebben ze ook op zeer kleine schaal kunnen modelleren."

Het onderzoek werd gesponsord door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie. Naast de Georgia Tech-onderzoekers, het werk omvatte ook wetenschappers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign en de Universiteit van Nebraska Lincoln.

Met behulp van de patroontechniek hebben de onderzoekers draden van ongeveer 30 nanometer breed en bollen met een diameter van ongeveer 10 nanometer gemaakt. Bollen met potentiële toepassing als ferro-elektrisch geheugen werden vervaardigd met dichtheden van meer dan 200 gigabyte per vierkante inch - momenteel het record voor dit ferro-elektrische materiaal van het perovskiet-type, zei Suenne Kim, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van professor Elisa Riedo in Georgia Tech's School of Physics.

Ferro-elektrische materialen zijn aantrekkelijk omdat ze ladingsgenererende piëzo-elektrische reacties vertonen die een orde van grootte groter zijn dan die van materialen zoals aluminiumnitride of zinkoxide. De polarisatie van de materialen kan gemakkelijk en snel worden veranderd, waardoor ze potentiële toepassing als random access memory-elementen.

Maar de materialen kunnen moeilijk te fabriceren zijn, vereist temperaturen van meer dan 600 graden Celsius voor kristallisatie. Chemische etstechnieken produceren korrelgroottes zo groot als de nanoschaalkenmerken die onderzoekers zouden willen produceren, terwijl fysieke etsprocessen de structuren beschadigen en hun aantrekkelijke eigenschappen verminderen. Tot nu, deze uitdagingen vereisten dat ferro-elektrische structuren werden gekweekt op een enkelkristalsubstraat dat compatibel is met hoge temperaturen, vervolgens overgebracht naar een flexibel substraat voor gebruik bij het oogsten van energie.

Het thermochemische nanolithografieproces, die in 2007 werd ontwikkeld bij Georgia Tech, pakt deze uitdagingen aan door extreem gelokaliseerde verwarming te gebruiken om alleen structuren te vormen waar de resistief verwarmde AFM-tip in contact komt met een voorlopermateriaal. Een computer bestuurt het schrijven van de AFM, waardoor de onderzoekers waar gewenst patronen van gekristalliseerd materiaal kunnen creëren. Om energie-oogststructuren te creëren, bijvoorbeeld, lijnen die overeenkomen met ferro-elektrische nanodraden kunnen worden getrokken langs de richting waarin spanning zou worden toegepast.

"De hitte van de AFM-tip kristalliseert de amorfe voorloper om de structuur te maken, " legde Bassiri-Gharb uit. "De patronen worden alleen gevormd waar de kristallisatie optreedt."

Om te beginnen met de fabricage, het sol-gel-precursormateriaal wordt eerst op een substraat aangebracht met een standaard spincoating-methode, vervolgens kort verwarmd tot ongeveer 250 graden Celsius om de organische oplosmiddelen te verdrijven. De onderzoekers hebben polyimide gebruikt, glas- en siliciumsubstraten, maar in principe elk materiaal dat bestand is tegen de verwarmingsstap van 250 graden kan worden gebruikt. Structuren zijn gemaakt van Pb(ZrTi)O ₃ – bekend als PZT, en PbTiO ₃ – bekend als aftakas.

"We verwarmen de voorloper nog steeds op de temperaturen die nodig zijn om de structuur te kristalliseren, maar de verwarming is zo plaatselijk dat het de ondergrond niet aantast, " legde Riedo uit, een co-auteur van het artikel en een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech School of Physics.

De verhitte AFM-tips werden gegeven door William King, een professor in de afdeling Mechanical Science and Engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Als volgende stap, de onderzoekers zijn van plan om arrays van AFM-tips te gebruiken om grotere patroongebieden te produceren, en verbeter de verwarmde AFM-tips om voor langere tijd te werken. De onderzoekers hopen ook de basiswetenschap achter ferro-elektrische materialen te begrijpen, inclusief eigenschappen op nanoschaal.

"We moeten kijken naar de groeithermodynamica van deze ferro-elektrische materialen, " zei Bassiri-Gharb. "We moeten ook zien hoe de eigenschappen veranderen wanneer je van de bulk naar de micronschaal en vervolgens naar de nanometerschaal gaat. We moeten begrijpen wat er werkelijk gebeurt met de extrinsieke en intrinsieke reacties van de materialen op deze kleine schaal."

uiteindelijk, arrays van AFM-tips onder computercontrole kunnen complete apparaten produceren, een alternatief bieden voor de huidige fabricagetechnieken.

"Thermochemische nanolithografie is een zeer krachtige nanofabricagetechniek die, door verwarming, is als een pen op nanoschaal die nanostructuren kan creëren die bruikbaar zijn in een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief eiwitarrays, DNA-arrays, en grafeen-achtige nanodraden, " legde Riedo uit. "We pakken echt het probleem aan dat wordt veroorzaakt door de bestaande beperkingen van fotolithografie op deze schaalgroottes. We kunnen ons voorstellen een volledig apparaat te maken op basis van dezelfde fabricagetechniek zonder de vereisten van dure cleanrooms en op vacuüm gebaseerde apparatuur. We zijn op weg naar een proces waarin meerdere stappen worden gedaan met hetzelfde hulpmiddel om op kleine schaal patronen te maken."