Forskare vid California Institute of Technology har avslöjat den fysiska mekanismen genom vilken uppsättningar av nanoskaliga pelare kan odlas på polymerfilmer med mycket hög precision, i potentiellt gränslösa mönster.

Denna nanofluidiska process – utvecklad av Sandra Troian, professor i tillämpad fysik, aeronautik, och maskinteknik på Caltech, och beskrivs i en färsk artikel i tidskriften Fysiska granskningsbrev -- skulle en dag kunna ersätta konventionella litografiska mönstringstekniker som nu används för att bygga tredimensionella nano- och mikroskala strukturer för användning i optiska, fotonisk, och biofluidiska enheter.

Tillverkning av högupplösta, nanoarrayer med stor yta är starkt beroende av konventionella fotolitografiska mönstringstekniker, som involverar behandlingar med ultraviolett ljus och starka kemikalier som växelvis löser upp och etsar kiselwafers och andra material. Fotolitografi används för att tillverka integrerade kretsar och mikroelektromekaniska enheter, till exempel.

Dock, de upprepade cyklerna av upplösning och etsning orsakar en betydande mängd ytjämnhet i nanostrukturerna, i slutändan begränsar deras prestanda.

"Denna process är också i sig tvådimensionell, och därför måste tredimensionella strukturer mönstras lager för lager, säger Troian.

I ett försök att minska kostnaderna, Behandlingstid, och grovhet, forskare har undersökt alternativa tekniker där smälta filmer kan mönstras och stelnas på plats, och i ett enda steg.

För ungefär ett decennium sedan, grupper i Tyskland, Kina, och USA stötte på ett bisarrt fenomen när man använde tekniker som involverade termiska gradienter. När nanofilmer av smält polymer sattes in i ett smalt gap som separerade två kiselskivor som hölls vid olika temperaturer, uppsättningar av pelare i nanoskala utvecklades spontant.

Dessa utsprång växte tills de nådde den översta rån; de resulterande pelarna var typiskt flera hundra nanometer höga och flera mikrometer från varandra.

Dessa pelare smälte ibland samman, bildar mönster som såg ut som cykelkedjor från ovan; i andra filmer, pelarna växte jämnt fördelade, bikakeliknande arrayer. När systemet väl har återställts till rumstemperatur, strukturerna stelnade på plats för att producera självorganiserade funktioner.

År 2002, forskare i Tyskland som hade observerat detta fenomen antog att pelarna härrör från oändligt små – men mycket verkliga – tryckfluktuationer längs ytan av en annars stillastående platt film. De föreslog att skillnaderna i yttryck orsakades av lika små variationer i hur individuella paket (eller kvanta) av vibrationsenergi, kända som fononer, reflektera från filmgränssnitten.

"I deras modell, skillnaden i akustisk impedans mellan luften och polymeren tros generera en obalans i fononflöde som orsakar ett strålningstryck som destabiliserar filmen, tillåter pelarbildning, " säger Troian. "Deras mekanism är den akustiska analogen till Casimir-styrkan, som är ganska bekant för fysiker som arbetar på nanoskala."

Men Troian, som var bekant med termiska effekter i liten skala - och visste att spridningen av dessa fononer faktiskt är osannolik i amorfa polymersmältor, som saknar inre periodisk struktur – insåg omedelbart att en annan mekanism kanske lurar i detta system.

För att fastställa den faktiska orsaken till nanopelarbildning, hon och Caltech postdoc Mathias Dietzel utvecklade en vätskedynamisk modell av samma typ av tunn, smält nanofilm i en termisk gradient.

Deras modell, Troian säger, "uppvisade en självorganiserande instabilitet som kunde reproducera de konstiga formationerna, "och visade att nanopelare, faktiskt, bildas inte via tryckfluktuationer utan genom en enkel fysisk process som kallas termokapillärt flöde.

I kapillärflöde - eller kapillärverkan - den attraktionskraft, eller sammanhållning, mellan molekyler av samma vätska (säg, vatten) ger ytspänning, den tryckkraft som är ansvarig för att hålla ihop en droppe vatten. Eftersom ytspänning tenderar att minimera ytarean av en vätska, den fungerar ofta som en stabiliserande mekanism mot deformation orsakad av andra krafter. Skillnader i temperatur längs ett vätskegränssnitt, dock, generera skillnader i ytspänning. I de flesta vätskor, kallare områden kommer att ha en högre ytspänning än varmare – och denna obalans kan få vätskan att flöda från områden med varmare till kallare temperaturer, en process som kallas termokapillärt flöde.

Tidigare, Troian har använt sådana krafter för mikrofluidapplikationer, för att flytta droppar från en punkt till en annan.

"Du kan se denna effekt mycket bra om du flyttar en isbit i en åttasiffra under en metallplåt belagd med en vätska som glycerol, " säger hon. "Vätskan väller upp ovanför kuben när den spårar ut figuren. Du kan rita ditt namn på detta sätt, och, presto! Du har skaffat dig en ny form av termokapillär litografi!"

I deras Fysiska granskningsbrev papper, Troian och Dietzel visade hur denna effekt teoretiskt kan dominera alla andra krafter i nanoskala dimensioner, och visade också att fenomenet inte är speciellt för polymerfilmer.

I experimenten med termisk gradient, de säger, spetsarna på de små utsprången i polymerfilmen upplever en något kallare temperatur än den omgivande vätskan, på grund av deras närhet till den kallare wafern.

"Ytspänningen vid en utvecklande spets är bara lite större, och detta skapar en mycket stark kraft orienterad parallellt med luft/polymer-gränsytan, som binder vätskan mot den kallare wafern. Ju närmare spetsen kommer rån, ju kallare det blir, leder till en självförstärkande instabilitet, " förklarar Troian.

I sista hand, hon säger, "du kan sluta med mycket långa pelarstrukturer. Den enda gränsen för höjden på pelaren, eller nanopelare, är separationsavståndet för skivorna."

I datormodeller, forskarna kunde använda riktade variationer i temperaturen på det kallare substratet för att exakt kontrollera mönstret som replikeras i nanofilmen. I en sådan modell, de skapade en tredimensionell "nanorelief" av Caltech-logotypen.

Troian och hennes kollegor börjar nu experiment i laboratoriet där de hoppas kunna tillverka en mångfald av optiska och fotoniska element i nanoskala. "Vi siktar på nanostrukturer med spegelblanka ytor - så släta som du någonsin kan göra dem - och 3D-former som inte är lätta att uppnå med konventionell litografi, " säger Troian.

"Detta är ett exempel på hur grundläggande förståelse av fysiks och mekaniks principer kan leda till oväntade upptäckter som kan ha långtgående, Praktiska konsekvenser, säger Ares Rosakis, ordförande för avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap (EAS) och Theodore von Kármán professor i flygteknik och maskinteknik vid Caltech. "Detta är den verkliga styrkan i EAS-divisionen."

Mer information: Phys. Rev. Lett. 103, 074501 (2009), link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.103.074501

Källa:California Institute of Technology (nyheter:webb)