Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hebben licht geworpen op de rol van temperatuur bij het beheersen van een fabricagetechniek voor het tekenen van chemische patronen zo klein als 20 nanometer. Deze techniek zou een goedkope, snelle route naar het kweken en vormen van een grote verscheidenheid aan materialen op oppervlakken om elektrische circuits en chemische sensoren te bouwen, of bestudeer hoe geneesmiddelen zich binden aan eiwitten en virussen.

Een manier om structuren op nanoschaal rechtstreeks op een substraat te schrijven, is door een punt van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) als pen te gebruiken om inktmoleculen via moleculaire diffusie op het oppervlak af te zetten. In tegenstelling tot conventionele nanofabricagetechnieken die duur zijn, vereisen gespecialiseerde omgevingen en werken meestal met slechts een paar materialen, deze techniek, genaamd dip-pen nanolithografie, kan in bijna elke omgeving worden gebruikt om veel verschillende chemische verbindingen te schrijven. Een neef van deze techniek - thermische dip-pen-nanolithografie genaamd - breidt deze techniek uit naar vaste materialen door een AFM-punt in een kleine soldeerbout te veranderen.

Dip-pen nanolithografie kan worden gebruikt om kenmerken zo klein als 20 nanometer, meer dan veertigduizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Bovendien, de schrijfpunt werkt ook als een oppervlakteprofiler, waardoor een vers geschreven oppervlak onmiddellijk na het patroon kan worden afgebeeld met precisie op nanoschaal.

"Op tips gebaseerde productie is een echte belofte voor nauwkeurige fabricage van apparaten op nanoschaal, " zegt Jim DeYoreo, interim-directeur van Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE nanowetenschappelijk onderzoekscentrum. "Echter, een robuuste technologie vereist een wetenschappelijke basis die is gebaseerd op een goed begrip van materiaaloverdracht tijdens dit proces. Onze studie is de eerste die dit fundamentele begrip van thermische dip-pen nanolithografie verschaft."

In dit onderzoek, DeYoreo en collega's onderzochten systematisch het effect van temperatuur op de grootte van het kenmerk. Met behulp van hun resultaten, het team ontwikkelde een nieuw model om te deconstrueren hoe inktmoleculen van de schrijfpunt naar het substraat reizen, assembleren tot een geordende laag en uitgroeien tot een functie op nanoschaal.

"Door zorgvuldig de rol van temperatuur in nanolithografie met thermische dip-pen te overwegen, we kunnen mogelijk nanoschaalpatronen van materialen ontwerpen en fabriceren, variërend van kleine moleculen tot polymeren met betere controle over de grootte en vorm van kenmerken op een verscheidenheid aan substraten, " zegt Sungwook Chung, een stafwetenschapper in de Physical Biosciences Division van Berkeley Lab, en Foundry-gebruiker die met DeYoreo werkt.

"Deze techniek helpt bij het overwinnen van fundamentele lengteschaalbeperkingen zonder de noodzaak van complexe groeimethoden."

DeYoreo en Chung werkten samen met een onderzoeksteam van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign dat gespecialiseerd is in het maken van gespecialiseerde tips voor AFM's. Hier, deze medewerkers ontwikkelden een op silicium gebaseerde AFM-tip met een gradiënt van ladingdragende atomen die in het silicium zijn gestrooid, zodat een hoger aantal zich aan de basis bevindt, terwijl er minder aan de punt zitten. Hierdoor wordt de punt warm als er elektriciteit doorheen stroomt, net als de brander op een elektrisch fornuis.

Deze 'nanoheater' kan vervolgens worden gebruikt om de inkt op de punt op te warmen, waardoor ze naar de oppervlakte stromen voor het fabriceren van functies op microschaal en nanoschaal. De groep demonstreerde dit door stippen en lijnen van het organische molecuul mercaptohexadecaanzuur op gouden oppervlakken te tekenen. Hoe heter de punt, hoe groter de functiegrootte die het team zou kunnen tekenen.

"We zijn enthousiast over deze samenwerking met Berkeley Lab, die hun opmerkelijke nanowetenschappelijke mogelijkheden combineert met onze technologie om temperatuur en warmtestroom op nanometerschaal te regelen, " zegt co-auteur William P. King, een professor in mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois. "Ons vermogen om de temperatuur binnen een plek op nanometerschaal te regelen, maakte deze studie van transport op moleculaire schaal mogelijk. Door de hotspot-temperatuur af te stemmen, we kunnen onderzoeken hoe moleculen naar een oppervlak stromen."

"Deze thermische controle over de overdracht van punt naar oppervlak, ontwikkeld door de groep van professor King, voegt veelzijdigheid toe door on-the-fly variaties in functiegrootte en patroonvorming van zowel vloeibare als vaste materialen mogelijk te maken, " voegt DeYoreo toe.