Onderzoekers van de Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin hebben een probleem in micro- en nanofabricage opgelost:hoe snel, voorzichtig en nauwkeurig omgaan met kleine deeltjes - waardoor onderzoekers gemakkelijker kleine machines kunnen bouwen, biomedische sensoren, optische computers, zonnepanelen en andere apparaten.

Ze hebben een apparaat en techniek ontwikkeld, genaamd bubble-pen lithografie, die efficiënt met nanodeeltjes kan omgaan – de kleine stukjes goud, silicium en andere materialen die worden gebruikt in nanofabricage. De nieuwe methode is gebaseerd op microbellen om in te schrijven, of schrijf, nanodeeltjes op een oppervlak.

Interesse van onderzoekers in nanodeeltjes, die tussen de 1 en 100 nanometer groot zijn, is snel gegroeid vanwege hun veelzijdigheid en kracht. Sommige nanodeeltjes hebben optische eigenschappen die nuttig zijn voor elektronica. Anderen hebben het vermogen om zonne-energie te absorberen. Bij biomedische toepassingen nanodeeltjes kunnen dienen als medicijndragers of beeldvormende middelen.

Maar werken met deze deeltjes terwijl hun eigenschappen en functies intact blijven, kan moeilijk zijn. En bestaande lithografiemethoden, die worden gebruikt om materialen op een substraat te etsen of te modelleren, zijn niet in staat om nanodeeltjes met nauwkeurige en willekeurige controle op een specifieke locatie te fixeren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Texas Engineering-assistent-professor Yuebing Zheng heeft een manier bedacht om deze kleine deeltjes te hanteren en op hun plaats te vergrendelen zonder ze te beschadigen. Met behulp van microbellen om de deeltjes voorzichtig te transporteren, de bubble-pen-lithografietechniek kan snel deeltjes in verschillende vormen rangschikken, maten, composities en afstanden tussen nanostructuren. Deze geavanceerde controle is de sleutel tot het benutten van hun eigenschappen. Het team, waaronder Cockrell School universitair hoofddocent Deji Akinwande en professor Andrew Dunn, beschrijven hun gepatenteerde apparaat en techniek in een paper gepubliceerd in het nummer van 13 januari van Nano-letters .

Met behulp van hun bubble-pen-apparaat, de onderzoekers richten een laser onder een vel gouden nano-eilanden (eilanden op nanoschaal) om een ​​hotspot te genereren die een microbel uit verdampt water creëert. De bel trekt een nanodeeltje aan en vangt het op door een combinatie van gasdruk, thermische en oppervlaktespanning, oppervlaktehechting en convectie. De laser stuurt vervolgens de microbel om het nanodeeltje op een plaats op het oppervlak te verplaatsen. Als de laser is uitgeschakeld, de microbel verdwijnt, het deeltje op het oppervlak achterlatend. Indien nodig, de onderzoekers kunnen de grootte van de microbel vergroten of verkleinen door het vermogen van de laserstraal te vergroten of te verkleinen.

"De mogelijkheid om een ​​enkel nanodeeltje te controleren en het op een substraat te bevestigen zonder het te beschadigen, zou geweldige kansen kunnen bieden voor het creëren van nieuwe materialen en apparaten, Zheng zei. "Het vermogen om de deeltjes te rangschikken zal helpen om een ​​klasse nieuwe materialen te ontwikkelen, bekend als metamaterialen, met eigenschappen en functies die niet bestaan ​​in de huidige natuurlijke materialen."

De techniek zou vooral nuttig kunnen zijn voor wetenschap en geneeskunde, omdat onderzoekers cellen nauwkeurig zouden kunnen controleren, biologisch materiaal, bacteriën of virussen voor studie en testen, voegde Zheng toe.

Bovendien, bubble-penlithografie kan een ontwerpsoftwareprogramma op dezelfde manier gebruiken als een 3D-printer, zodat het nanodeeltjes in realtime kan deponeren in een voorgeprogrammeerd patroon of ontwerp. De onderzoekers waren in staat om het UT Austin Longhorn-symbool te schrijven en een koepelvorm te creëren uit nanodeeltjesparels.

In vergelijking met andere bestaande lithografische methoden, bubble-penlithografie heeft verschillende voordelen, zegt Zheng. Eerst, de techniek kan worden gebruikt om sneller prototypes en ideeën voor apparaten en materialen te testen. Tweede, de techniek heeft het potentieel voor grootschalige, goedkope fabricage van nanomaterialen en apparaten. Andere lithografietechnieken vereisen meer middelen en een cleanroomomgeving.

Zheng zegt dat hij hoopt de bubble-penlithografie vooruit te helpen door een verwerkingstechniek met meerdere bundels te ontwikkelen voor de productie van nanomaterialen en nanodevices op industrieel niveau. Hij is ook van plan een draagbare versie van de techniek te ontwikkelen die werkt als een mobiele telefoon voor gebruik bij prototyping en ziektediagnose.

Dit onderzoek ontving financiering van de Beckman Young Investigator Award.