نانو ليتوگرافي قلم آغشته
دانشمندان ميکوشند روشهايي ابداع کنند که بتوان با آنها سطوحي در مقياس 1 تا 100 نانومتر را شکل داد. چنين دستاوردي براي فناوري نانو بسيار مهم و بنيادي است، زيرا دانشمندان رشتههاي مختلف مانند الکترونيک، داروسازي يا تشخيص بيماريها را براي ورود به دنياي نانو توانمند ميسازد. پس از اختراع ميکروسکوپ تونلزني اتمي (STM) و به دنبال آن ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) متخصصان زيادي کوشيدهاند طرحهايي را با مشقت فراوان توسط بازوهاي ظريف اين ميکروسکوپها اتم به اتم بچينند. نمونههايي از اين طرحها در شکل زير ديده ميشوند. اين کار زمان زيادي ميبرد و براي انجام آن بايد خلأ بسيار بالا و دماي پايين ايجاد کرد.
گروه ديگري از متخصصان، از STM
و AFM
براي خراشيدن يا ايجاد واکنش اکسيداسيون در سطوح نانويي استفاده
کردهاند. اين تکنيکها کاربردهاي مهمي دارند، اما متأسفانه اکسيداسيون را تنها بر
سطوح خاصي از فلزات و نيمههاديها به وجود ميآورند و به علاوه نميتوان بهراحتي
آنها را براي ايجاد چند لايه روي هم به کار گرفت.
«نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته» که به طور خلاصه DPN ناميده ميشود، روش نويني براي طراحي سيستمها
در مقياس نانومتري است. در اين روش يک سوزن بسيار نوکتيز، مواد شيميايي
(جوهر) را روي سطح مورد نظر مينشاند. با اين روش، که شبيه استفاده از پر براي
نوشتن است، نقشهايي به ريزي چند ده نانومتر قابل ترسيماند. همچنين ميتوان انواع گوناگوني از جوهرها،
از پوششهاي فلزي گرفته تا ذرات نانومتري يا مولکولهاي زيستي را
در شرايط کنترلشده به کار گرفت.
نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته چيست؟
اين روش توسط «سي ميرکين» و همکارانش در دانشگاه «نورث وسترن» ابداع
شد. آنها توانستند مولکولها را در فرآيندي قابل کنترل با استفاده از نوک
سوزن يک ميکروسکوپ نيروي اتمي روي سطح بنشانند. اين روش در شکل
زير نشان داده شده است.
در کارهاي اوليهاي که به روش DPN انجام ميشد، مولکول آلي «تايول» و سطح طلا به کار ميرفتند (شکل 2). با استفاده از اين سيستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. بهويژه معلوم گرديد که پخش جوهر بر روي سطح، براي اين سيستم، به عوامل محيطي مانند دما و رطوبت وابسته است. متخصصان با کنترل اين عوامل موفق به دستيابي به دقت بيشتر در ترسيم شدند. علاوه بر اين، محققان توانستند لايهاي به ارتفاع فقط يک مولکول، به تفکيک 12 نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.
|
مقصود از تفکيک حداقل فاصلة قابل رعايت بين دو نقطه در طرح است، به طوري که دو نقطه از هم قابل تجزيه باشند. اين مفهوم معادل قدرت تفکيک در چاپگرهاست. |
شکل 2: نقش جوهر بر روي طلا که با استفاده از نانوليتوگرافي قلم
آغشته در سرعتهاي متفاوت نگاشته شدهاند. (سرعتها از چپ به راست: 0.8،
0.6، 0.4، 0.2 و 0.1 ميکرومتر بر ثانيه)
قدرت بينظير DPN و قابليتهاي وسيع آن، توجه محققان زيادي را به خود جلب کرد. آنها دست به آزمايشهاي زيادي با اين تکنيک زدند. در نتيجة اين تحقيقات، آنها متوجه شدند فرآيند DPN براي تعداد زيادي از مولکولها به عنوان جوهر قابل انجام است: سورفکتانتها، مولکولهاي بزرگِ باردار مانند پروتئينها و پوليمرها، مواد تشکيلدهندة سلژل، اکسيدهاي فلزي و حتي نانوذرات (شکل زير را ببينيد). سطوح قابل استفاده شامل فلزات (مانند طلا اگر از تيول به عنوان جوهر استفاده شود)، نارساناها (مانند اکسيد آلومينيوم يا اکسيد سيليکون) و نيمهرساناها (مانند آرسنيد گاليم) هستند.
|
سورفَکتانتها موادي آلي هستند، داراي يک سر قطبي (آبگريز) و يک سر غيرقطبي (آبدوست). سر قطبي در آب محلول است، اما سر غير قطبي در آب حل نميشود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب ميآيند و چون سطح آب محدود است، اين مولکولها يک لاية نازکِ بههمفشرده و منظم را تشکيل ميدهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» ميگويند. انواع مواد شوينده از اين نوعاند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربيها و روغنها ميچسبد و در نتيجه ميتوانيم آنها را با آب بشوييم. |
شکل 3 : نمونههايي از مواد شيميايي که به عنوان جوهر در نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته به کار گرفته شدهاند.
تواناييهاي منحصربهفرد فرآيند DPN آن را به روشي پيشرو براي ترسيم نقوش با تفکيک بالا در ابعاد نانومتري تبديل ميکند. در بين روشهايي که براي ابعاد زير 50 نانومتر قابل استفادهاند، مانند ليتوگرافي پرتو الکتروني، DPN تنها ابزاري است که ميتواند مولکولها را به طور مستقيم در شرايط کنترلشده روي سطح بنشاند. در حقيقت، از آنجا که ابزارهاي DPN از ميکروسکوپهاي پيمايشي استفاده ميکنند، ميتوانند عمليات ترسيم نقوش و تصويربرداري را همزمان انجام دهند. مسئلة مهم در اينجا توليد نقوش پيچيده در ابعاد نانومتري نيست؛ مسئلة مهمتر اين است که بتوان اين نقوش را ــ که ممکن است ملزم به پيادهسازي در چند مرحلة مجزا باشند ــ به دقت نسبت به هم تثبيت کرد. محققان با استفاده از DPN توانستهاند نقوش مختلف را با استفاده از جوهرهاي مختلف با خطاي کمتر از 5 نانومتر روي هم رسم کنند.
براي جمعبندي ميتوانيم بگوييم که نانوليتوگرافيِ قلمِ آغشته،
مزاياي زير را دارد:
1. قدرت تفکيک بالا. ترسيم نقوشي به کوچکي 12 نانومتر، با دقت 5
نانومتر و قابل تطبيق بر نقوش لايههاي بعدي؛
2. بينياز از خلأ. براي انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزن AFM، کافي است شرايط محيطي محصورشدهاي فراهم
کنيم. بر خلاف برخي روشهاي ديگر، در اين روش ترسيم به خلأ
نيازي نيست. اين خاصيت بهويژه در مورد مولکولهاي زيستي که در
خلأ آسيب ميبينند بسيار مهم است؛
3. قدرت ترسيم مستقيم. مواد مورد نظر ميتوانند دقيقاً (و فقط) در
جايي که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسيمشده به اين روش، به عنوان
فيلتر فوتورزيست براي فرآيندهاي ميکروالکترونيک استاندارد قابل استفاده اند؛
4. امکان به کارگيري مواد گوناگون. در نقشهاي ترسيمي با DPN ميتوان از انواع متنوع جوهر بر روي سطوح
مختلف استفاده کرد؛
5. قابليت هدايت خودکار. اين روش را ميتوان بهراحتي و با برنامهريزي ماشينهاي موجود به طور خودکار پياده کرد.
اين برتريها، DPN را روشي بسيار سودمند براي توسعة ليتوگرافي در ابعاد نانومتري ساخته است. در مقياس آزمايشگاهي، اين تکنيک ميتواند همة کارآييهاي ساير روشهاي ليتوگرافي را داشته باشد. اما حوزههاي گوناگون صنعت هم ميتوانند با استفاده از اين روش به توليد صنعتي محصولات جديد بپردازند. در ادامه به چند کاربرد اين تکنيک که احتمال صنعتي شدن آن زياد است، اشاره ميکنيم.
کاربردهايي براي DPN
پيشبيني در مورد مسير فناوريهاي نوظهورا بسيار مشکل است. با اين حال، بررسي تعداد مقالات و فعاليتهاي علمي نشان
ميدهد که DPN احتمالاً تأثير مهمي در صنعت خواهد گذاشت. در اين بخش، به چند حوزة
مهم که اين فناوري بر آنها تأثيرگذار خواهد بود تمرکز
ميکنيم؛ گرچه هنوز حوزههاي ديگري براي بررسي و پيدا کردن
کاربردهاي جديد وجود دارند.