Een multi-institutioneel team van ingenieurs heeft een nieuwe benadering ontwikkeld voor de fabricage van nanostructuren voor de halfgeleider- en magnetische opslagindustrieën. Deze benadering combineert top-down geavanceerde inkjetprinttechnologie met een bottom-up benadering waarbij zelf-assemblerende blokcopolymeren, een soort materiaal dat spontaan ultrafijne structuren kan vormen.

Het team, bestaande uit negen onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, de Universiteit van Chicago en de Hanyang Universiteit in Korea, was in staat om de resolutie van hun ingewikkelde structuurfabricage te verhogen van ongeveer 200 nanometer tot ongeveer 15 nanometer. Een nanometer is een miljardste van een meter, de breedte van een dubbelstrengs DNA-molecuul.

Het vermogen om nanostructuren te fabriceren uit polymeren, DNA, eiwitten en andere "zachte" materialen hebben het potentieel om nieuwe klassen van elektronica mogelijk te maken, diagnostische apparaten en chemische sensoren. De uitdaging is dat veel van deze materialen fundamenteel onverenigbaar zijn met de soorten lithografische technieken die traditioneel worden gebruikt in de industrie van geïntegreerde schakelingen.

Recent ontwikkelde inkjetprinttechnieken met ultrahoge resolutie hebben enig potentieel, met een aangetoonde resolutie tot 100-200 nanometer, maar er zijn aanzienlijke uitdagingen bij het bereiken van een echte dimensie op nanoschaal. "Ons werk toont aan dat processen van zelfassemblage van polymeren een manier kunnen bieden om deze beperking te omzeilen, " zei John Rogers, de Swanlund Chair Professor in Materials Science and Engineering in Illinois.

Rogers en zijn medewerkers rapporteren hun bevindingen in het septembernummer van Natuur Nanotechnologie . Door jetprinten te combineren met zelfassemblerende blokcopolymeren konden de ingenieurs de veel hogere resolutie bereiken, zoals voorgesteld door hoofdauteur Serdar Onses, een postdoctoraal wetenschapper in Illinois. Onses promoveerde aan de Universiteit van Wisconsin bij Paul Nealey, nu de Brady W. Dougan Professor in Molecular Engineering aan UChicago en een co-auteur van het Nature Nanotechnology paper. "Dit concept bleek erg nuttig, ' zei Rogers.

Ingenieurs gebruiken zelfassemblerende materialen om traditionele fotolithografische processen te verbeteren die patronen genereren voor veel technologische toepassingen. Ze creëren eerst een topografisch of chemisch patroon met behulp van traditionele processen. Voor het Nature Nanotechnology-papier, dit gebeurde bij imec in België, een onafhankelijk onderzoekscentrum voor nano-elektronica. Nealey's laboratorium was een pionier in dit proces van gerichte zelfassemblage van blokcopolymeren met behulp van chemische nanopatronen.

De limieten naderen

De resolutie van het chemische patroon nadert de huidige limiet van traditionele fotolithografie, merkte Lance Williamson op, een afgestudeerde student in moleculaire engineering aan UChicago en co-auteur van het artikel Nature Nanotechnology. "Imec heeft de mogelijkheid om de fotolithografie op deze schaal over grote gebieden met hoge precisie uit te voeren, ' zei Williamson.

Terug aan de Universiteit van Illinois, ingenieurs plaatsen een blokcopolymeer bovenop dit patroon. Het blokcopolymeer organiseert zichzelf, gestuurd door de onderliggende sjabloon om patronen te vormen met een veel hogere resolutie dan de sjabloon zelf.

Eerder werk was gericht op de afzetting en assemblage van uniforme films op elke wafel of elk substraat, resulterend in patronen met in wezen slechts één karakteristieke kenmerkgrootte en afstand tussen kenmerken. Maar voor praktische toepassingen kunnen blokcopolymeren met meerdere dimensies in een patroon of ruimtelijk over een wafel worden geplaatst.

"Deze uitvinding, om inkjetprinten te gebruiken om verschillende blokcopolymeerfilms met een hoge ruimtelijke resolutie over het substraat af te zetten, is zeer geschikt voor wat betreft het ontwerp en de fabricage van apparaten, omdat u verschillende dimensiestructuren in één laag kunt realiseren, "zei Nealey. "Bovendien, de verschillende dimensiepatronen kunnen feitelijk worden gericht om te assembleren met dezelfde of verschillende sjablonen in verschillende regio's."

Voordelen van e-jet printen

De geavanceerde vorm van inkjetprinten die de ingenieurs gebruiken om blokcopolymeren lokaal af te zetten, wordt elektrohydrodynamisch genoemd. of e-jet printen. Het werkt net als de inkjetprinters die kantoormedewerkers gebruiken om op papier af te drukken. "Het idee is een stroom van materialen uit kleine openingen, behalve dat e-jet een speciale is, hoge resolutie-versie van inkjetprinters die functies kunnen afdrukken tot enkele honderden nanometers, " zei Onses. En omdat e-jet van nature vloeibare inkt aankan, het is uitzonderlijk goed geschikt voor het modelleren van oplossingssuspensies van nanobuisjes, nanokristallen, nanodraden en andere soorten nanomaterialen.

"Het meest interessante aspect van dit werk is het vermogen om 'top-down'-technieken van jetprinten te combineren met 'bottom-up'-processen van zelfassemblage, op een manier die nieuwe mogelijkheden in lithografie opent - toepasbaar op zowel zachte als harde materialen, ' zei Rogers.

"De kansen liggen in het vormen van patroonstructuren van nanomaterialen om hun integratie in echte apparaten mogelijk te maken. Ik ben optimistisch over de mogelijkheden."