Een nauwkeurige, De chemicaliënvrije methode voor het etsen van kenmerken op nanoschaal op siliciumwafels is ontwikkeld door een team van Penn State en Southwest Jiaotong University en Tsinghua University in China.

In standaard lithografie, een lichtgevoelige film wordt afgezet op een siliciumwafel en een patroon dat een masker wordt genoemd, wordt gebruikt om bepaalde delen van de film te belichten. Vervolgens, chemicaliën, zoals een kaliumhydroxide-oplossing, etsen patronen in het silicium. Verdere stappen zijn nodig om het opgeruwde oppervlak glad te strijken.

De onderzoekers van Penn State en Southwest Jiaotong University ontwikkelden een geheel andere, vrij van chemicaliën en maskers, proces in één stap. Ze wreven lichtjes een ronde silicatip van een instrument dat een scanning probe-microscoop wordt genoemd over een siliciumsubstraat - de materiële basis die doorgaans wordt gebruikt om elektronische apparaten te maken. Bij blootstelling aan de waterdamp in de lucht, de bovenste laag silicium vormt bindingen met de punt van de scansonde, en een enkele laag atomen glijdt weg als de sonde over het silicium beweegt. Omdat onderstaande atomen niet deelnemen aan de chemische reactie, ze zijn volledig onbeschadigd.

"Het is echt een vrij uniek idee, " zei Seong Kim, hoogleraar chemische technologie, Penn State. "Het is een zogenaamde tribochemische reactie. In tegenstelling tot chemische reacties veroorzaakt door warmte, licht of elektrische velden, die allemaal uitgebreid worden bestudeerd, mechanisch gestimuleerde chemische reacties worden minder begrepen."

Het verwijderingsmechanisme wordt gestart wanneer het silicium wordt blootgesteld aan lucht en de bovenste atomaire laag van siliciumatomen reageert met watermoleculen om silicium-zuurstof-waterstofbindingen te maken. Vervolgens vormt het siliciumoxide-oppervlak van de punt een silicium-oxide-siliciumbinding met het substraatoppervlak onder de afschuifkracht van de bewegende punt. Dit vergemakkelijkt de verwijdering van het siliciumatoom van het bovenste oppervlak van het substraat.

Mensen in nanofabricage die proberen de grootte van apparaatfuncties te verkleinen tot atomaire schaaldimensies, zouden deze techniek nuttig kunnen vinden, Kim gelooft.

"Het etsen van atoomlagen kan de diepteresolutie bieden die mensen zouden willen krijgen zonder het gebruik van opofferende lagen en agressieve chemicaliën, " hij zei.

Dit soort patroonvormingsmethode is nu te langzaam voor microfabricage, Kim erkende. Echter, onderzoekers zouden het kunnen gebruiken om een ​​platform te creëren voor het testen van elektronische en micro-elektromechanische apparaten met functies op de Angstrom- of single-atom-schaal, veel kleiner dan de huidige apparaten. Minstens één bedrijf, IBM, heeft geëxperimenteerd met meerdere probe-arrays die kunnen leiden tot grootschalige patronen van apparaten.

"Ons proces kan worden gecombineerd met hun proces om op te schalen, ' zei Kim. 'Dit is het eerste wetenschappelijke gedeelte. Zodra we de wetenschap zien, veel mogelijkheden kunnen worden onderzocht. Bijvoorbeeld, we denken dat deze techniek zal werken met andere materialen dan silicium."

De onderzoekers beschrijven hun techniek in Natuurcommunicatie in een artikel getiteld "Nanomanufacturing of Silicon Surface With a Single Atomic Layer Precision Via Mechanochemical Reactions."