Med hjälp av en teknik som kallas termokemisk nanolitografi (TCNL), Forskare har utvecklat ett nytt sätt att tillverka ferroelektriska strukturer i nanometerskala direkt på flexibla plastsubstrat som inte skulle kunna motstå de processtemperaturer som normalt krävs för att skapa sådana nanostrukturer.

Tekniken, som använder ett upphettat atomkraftmikroskop (AFM) för att producera mönster, skulle kunna underlätta hög densitet, lågkostnadsproduktion av komplexa ferroelektriska strukturer för energiskördarmatriser, sensorer och ställdon i nano-elektromekaniska system (NEMS) och mikroelektromekaniska system (MEMS). Forskningen rapporterades 15 juli i tidningen Avancerade material .

"Vi kan direkt skapa piezoelektriska material med den form vi vill ha, där vi vill ha dem, på flexibla substrat för användning i energiskörd och andra tillämpningar, sa Nazanin Bassiri-Gharb, medförfattare till uppsatsen och en biträdande professor vid School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Detta är första gången som strukturer som dessa har odlats direkt med en CMOS-kompatibel process vid en så liten upplösning. Inte bara har vi kunnat odla dessa ferroelektriska strukturer vid låga substrattemperaturer, men vi har också kunnat mönstra dem i mycket liten skala."

Forskningen sponsras av National Science Foundation och U.S. Department of Energy. Förutom Georgia Tech -forskarna, arbetet involverade också forskare från University of Illinois Urbana-Champaign och University of Nebraska Lincoln.

Forskarna har producerat kablar som är cirka 30 nanometer breda och sfärer med diametrar på cirka 10 nanometer med hjälp av mönstringstekniken. Sfärer med potentiell användning som ferroelektriskt minne tillverkades vid densiteter som översteg 200 gigabyte per kvadrattum – för närvarande rekordet för detta ferroelektriska material av perovskittyp, sa Suenne Kim, tidningens första författare och en postdoktor i laboratoriet av professor Elisa Riedo vid Georgia Techs fysikskola.

Ferroelektriska material är attraktiva eftersom de uppvisar laddningsgenererande piezoelektriska svar som är en storleksordning större än material som aluminiumnitrid eller zinkoxid. Materialens polarisering kan enkelt och snabbt ändras, ger dem potentiell applikation som slumpmässiga åtkomstminneelement.

Men materialen kan vara svåra att tillverka, kräver temperaturer högre än 600 grader Celsius för kristallisation. Kemisk etsningsteknik ger kornstorlekar så stora som de nanoskalaegenskaper som forskare skulle vilja producera, medan fysiska etsningsprocesser skadar strukturerna och minskar deras attraktiva egenskaper. Tills nu, dessa utmaningar krävde att ferroelektriska strukturer odlades på ett enkristallsubstrat som är kompatibelt med höga temperaturer, överförs sedan till ett flexibelt substrat för användning vid energiskörd.

Den termokemiska nanolitografiprocessen, som utvecklades vid Georgia Tech 2007, löser dessa utmaningar genom att använda extremt lokaliserad uppvärmning för att bilda strukturer endast där den resistivt uppvärmda AFM-spetsen kommer i kontakt med ett prekursormaterial. En dator styr AFM -skrivningen, så att forskarna kan skapa mönster av kristalliserat material där så önskas. För att skapa energiskördande strukturer, till exempel, linjer som motsvarar ferroelektriska nanotrådar kan dras längs den riktning i vilken töjningen skulle appliceras.

"Värmen från AFM-spetsen kristalliserar den amorfa prekursorn för att skapa strukturen, "Förklarade Bassiri-Gharb." Mönstren bildas endast där kristalliseringen sker. "

För att börja tillverka, sol-gel-prekursormaterialet appliceras först på ett substrat med en vanlig spin-coatingmetod, uppvärmdes sedan kort till cirka 250 grader Celsius för att driva bort de organiska lösningsmedlen. Forskarna har använt polyimid, glas- och kiselsubstrat, men i princip vilket material som helst som kan motstå 250-graders uppvärmningssteget kan användas. Strukturer har gjorts av Pb(ZrTi)O ₃ - känd som PZT, och PbTiO ₃ – känd som PTO.

"Vi värmer fortfarande prekursorn vid de temperaturer som krävs för att kristallisera strukturen, men uppvärmningen är så lokal att den inte påverkar substratet, " förklarade Riedo, medförfattare till tidningen och docent vid Georgia Tech School of Physics.

De uppvärmda AFM-tipsen kom från William King, en professor vid institutionen för mekanisk vetenskap och teknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

Som ett nästa steg, forskarna planerar att använda matriser med AFM -tips för att producera större mönstrade områden, och förbättra de uppvärmda AFM-spetsarna för att fungera under längre tidsperioder. Forskarna hoppas också kunna förstå den grundläggande vetenskapen bakom ferroelektriska material, inklusive egenskaper på nanoskala.

"Vi måste titta på tillväxttermodynamiken för dessa ferroelektriska material, ", sa Bassiri-Gharb. "Vi måste också se hur egenskaperna förändras när du går från bulk- till mikronskalan och sedan till nanometerskalan. Vi måste förstå vad som verkligen händer med materialens yttre och inneboende svar i dessa små skalor."

I sista hand, rader av AFM-spetsar under datorkontroll kan producera kompletta enheter, ger ett alternativ till nuvarande tillverkningstekniker.

"Termokemisk nanolitografi är en mycket kraftfull nanofabrikationsteknik som, genom uppvärmning, är som en nanoskala penna som kan skapa nanostrukturer användbara i en mängd olika applikationer, inklusive proteinmatriser, DNA-matriser, och grafenliknande nanotrådar, Riedo förklarade. "Vi tar verkligen itu med problemet som orsakas av de befintliga begränsningarna av fotolitografi i dessa storleksskalor. Vi kan tänka oss att skapa en komplett enhet baserad på samma tillverkningsteknik utan krav på dyra renrum och vakuumbaserad utrustning. Vi går mot en process där flera steg görs med samma verktyg för att mönstra i liten skala. "