Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har belyst temperaturens roll för att kontrollera en tillverkningsteknik för att rita kemiska mönster så små som 20 nanometer. Denna teknik kan ge en billig, snabb väg till att växa och mönstra en mängd olika material på ytor för att bygga elektriska kretsar och kemiska sensorer, eller studera hur läkemedel binder till proteiner och virus.

Ett sätt att direkt skriva nanoskala strukturer på ett substrat är att använda en atomkraftmikroskop (AFM) spets som en penna för att avsätta bläckmolekyler genom molekylär diffusion på ytan. Till skillnad från konventionella nanofabricationstekniker som är dyra, kräver specialiserade miljöer och arbetar vanligtvis med endast ett fåtal material, denna teknik, kallas dip-pen nanolitografi, kan användas i nästan vilken miljö som helst för att skriva många olika kemiska föreningar. En kusin till denna teknik - kallad termisk dopppennanolitografi - utökar denna teknik till fasta material genom att förvandla en AFM-spets till en liten lödkolv.

Dip-pen nanolitografi kan användas för att mönstra funktioner så små som 20 nanometer, mer än fyrtio tusen gånger mindre än bredden på ett människohår. Vad mer, skrivspetsen fungerar också som en ytprofilerare, så att en nyskriven yta kan avbildas med precision i nanoskala omedelbart efter mönstring.

"Spetsbaserad tillverkning har ett verkligt löfte för exakt tillverkning av enheter i nanoskala, " säger Jim DeYoreo, interim chef för Berkeley Labs Molecular Foundry, ett DOE nanovetenskapligt forskningscenter. "Dock, en robust teknik kräver en vetenskaplig grund som bygger på förståelse för materialöverföring under denna process. Vår studie är den första som ger denna grundläggande förståelse för termisk dopppenna nanolitografi. "

I den här studien, DeYoreo och kollegor undersökte systematiskt effekten av temperatur på funktionsstorlek. Med hjälp av deras resultat, teamet utvecklade en ny modell för att dekonstruera hur bläckmolekyler färdas från skrivspetsen till substratet, sätts ihop till ett ordnat lager och växer till en nanoskala funktion.

"Genom att noggrant överväga temperaturens roll i termisk dopp-pennanolitografi, vi kanske kan designa och tillverka nanoskala mönster av material som sträcker sig från små molekyler till polymerer med bättre kontroll över funktionsstorlekar och former på en mängd olika underlag, " säger Sungwook Chung, en personalvetare vid Berkeley Labs division för fysiska biovetenskaper, och gjuteri som arbetar med DeYoreo.

"Denna teknik hjälper till att övervinna grundläggande begränsningar i längdskala utan behov av komplexa tillväxtmetoder."

DeYoreo och Chung samarbetade med ett forskargrupp från University of Illinois i Urbana-Champaign som specialiserat sig på att tillverka specialiserade tips för AFM:er. Här, dessa samarbetspartners utvecklade en kiselbaserad AFM-spets med en gradient av laddningsbärande atomer sprinklade i kislet så att ett högre antal finns vid basen medan färre sitter vid spetsen. Detta gör att spetsen värms upp när elektricitet strömmar genom den, ungefär som brännaren på en elektrisk spis.

Denna 'nanoheater' kan sedan användas för att värma upp bläck som appliceras på spetsen, får dem att flyta till ytan för att tillverka funktioner i mikroskala och nanoskala. Gruppen visade detta genom att rita prickar och linjer av den organiska molekylen merkaptohexadekansyra på guldytor. Ju varmare spets, desto större funktionsstorlek kunde laget rita.

"Vi är glada över detta samarbete med Berkeley Lab, som kombinerar deras anmärkningsvärda nanovetenskapskapacitet med vår teknik för att kontrollera temperatur och värmeflöde på nanometerskalan, säger medförfattaren William P. King, en professor i mekanisk vetenskap och teknik från University of Illinois. "Vår förmåga att kontrollera temperaturen inom en nanometer-skala plats möjliggjorde denna studie av molekylär transport. Genom att justera hotspot-temperaturen, vi kan undersöka hur molekyler flyter till en yta."

"Denna termiska kontroll över spets-till-yta-överföring som utvecklats av professor Kings grupp ger mångsidighet genom att möjliggöra snabba variationer i funktionsstorlek och mönster av både flytande och fasta material, ", tillägger DeYoreo.