Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe lithografietechniek ontwikkeld die bollen op nanoschaal gebruikt om driedimensionale (3D) structuren te creëren met biomedische, elektronische en fotonische toepassingen. De nieuwe techniek is aanzienlijk goedkoper dan conventionele methoden en is niet afhankelijk van het stapelen van tweedimensionale (2D) patronen om 3D-structuren te creëren.

"Onze aanpak verlaagt de kosten van nanolithografie tot het punt waarop het in uw garage zou kunnen worden gedaan, " zegt Dr. Chih-Hao Chang, een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek bij NC State en senior auteur van een paper over het werk.

De meeste conventionele lithografie gebruikt een verscheidenheid aan technieken om licht op een lichtgevoelige film te focussen om 2D-patronen te creëren. Deze technieken zijn gebaseerd op gespecialiseerde lenzen, elektronenstralen of lasers - die allemaal extreem duur zijn. Andere conventionele technieken gebruiken mechanische sondes, die ook kostbaar zijn. Om 3D-structuren te maken, de 2D-patronen worden in wezen op elkaar afgedrukt.

De NC State-onderzoekers hebben een andere benadering gekozen, het plaatsen van polystyreenbolletjes op nanoschaal op het oppervlak van de lichtgevoelige film.

De nanobolletjes zijn transparant, maar buig en verstrooi het licht dat er doorheen gaat op voorspelbare manieren volgens de hoek die het licht inneemt wanneer het de nanosfeer raakt. De onderzoekers controleren de nanolithografie door de grootte van de nanosfeer te veranderen, de duur van blootstelling aan licht, en de hoek, golflengte en polarisatie van licht. De onderzoekers kunnen ook één lichtstraal gebruiken, of meerdere lichtstralen, waardoor ze een breed scala aan nanostructuurontwerpen kunnen maken.

"We gebruiken de nanosfeer om het lichtpatroon vorm te geven, wat ons de mogelijkheid geeft om de resulterende nanostructuur in drie dimensies vorm te geven zonder de dure apparatuur te gebruiken die vereist is voor conventionele technieken, ", zegt Chang. "En het stelt ons in staat om in één keer 3D-structuren te maken, zonder laag na laag 2D-patronen te hoeven maken."

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat ze de nanobolletjes zichzelf kunnen laten assembleren in een reeks met regelmatige tussenruimten, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om een ​​uniform patroon van 3D-nanostructuren te creëren.

"Dit zou kunnen worden gebruikt om een ​​reeks nanonaalden te maken voor gebruik bij medicijnafgifte of andere toepassingen, " zegt Xu Zhang, een doctoraat student in Chang's lab en hoofdauteur van het artikel.

De nieuwe techniek kan ook worden gebruikt om "inkjetprinters" op nanoschaal te maken voor het printen van elektronica of biologische cellen, of om antennes of fotonische componenten te maken.

"Voor dit werk we hebben ons gericht op het maken van nanostructuren met behulp van lichtgevoelige polymeren, die vaak worden gebruikt in de lithografie, " zegt Zhang. "Maar de techniek kan ook worden gebruikt om sjablonen voor 3D-structuren te maken met andere materialen."

De onderzoekers kijken momenteel naar verschillende aanvullende manieren om de techniek te manipuleren om de vorm van resulterende structuren te beheersen.

"We onderzoeken het gebruik van andere nanosfeermaterialen dan polystyreen, evenals andere vormen van nanodeeltjes dan bollen, " zegt Chang. "En uiteindelijk willen we kijken naar manieren om de plaatsing van deeltjes op de lichtgevoelige film in andere patronen dan uniforme arrays te regelen."