Ett multiinstitutionellt team av ingenjörer har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för tillverkning av nanostrukturer för halvledar- och magnetlagringsindustrin. Detta tillvägagångssätt kombinerar top-down avancerad bläckstråleutskriftsteknik med en bottom-up-metod som involverar självmonterande blocksampolymerer, en typ av material som spontant kan bilda ultrafina strukturer.

Laget, bestående av nio forskare från University of Illinois i Urbana-Champaign, University of Chicago och Hanyang University i Korea, kunde öka upplösningen av deras komplicerade strukturtillverkning från cirka 200 nanometer till cirka 15 nanometer. En nanometer är en miljarddels meter, bredden på en dubbelsträngad DNA-molekyl.

Förmågan att tillverka nanostrukturer av polymerer, DNA, proteiner och andra "mjuka" material har potential att möjliggöra nya klasser av elektronik, diagnostiska enheter och kemiska sensorer. Utmaningen är att många av dessa material i grunden är oförenliga med de typer av litografiska tekniker som traditionellt används i den integrerade kretsindustrin.

Nyligen utvecklade tekniker för bläckstråleutskrift med ultrahög upplösning har viss potential, med demonstrerad upplösning ner till 100-200 nanometer, men det finns betydande utmaningar när det gäller att uppnå verklig nanoskaladimension. "Vårt arbete visar att processer för självmontering av polymer kan ge en väg runt denna begränsning, sa John Rogers, Swanlund ordförande professor i materialvetenskap och teknik vid Illinois.

Rogers och hans medarbetare rapporterar sina resultat i septembernumret av Naturens nanoteknik . Kombinationen av jetprinting med självmonterande blocksampolymerer gjorde det möjligt för ingenjörerna att uppnå den mycket högre upplösningen, som föreslagits av huvudförfattaren Serdar Onses, en postdoktor vid Illinois. Onses tog sin doktorsexamen vid University of Wisconsin under Paul Nealey, nu Brady W. Dougan professor i molekylär teknik vid UChicago och medförfattare till Nature Nanotechnology paper. "Det här konceptet visade sig vara riktigt användbart, " sa Rogers.

Ingenjörer använder självmonterande material för att förstärka traditionella fotolitografiska processer som genererar mönster för många tekniska tillämpningar. De skapar först antingen ett topografiskt eller kemiskt mönster med hjälp av traditionella processer. För Nature Nanotechnology paper, detta gjordes på imec i Belgien, ett oberoende forskningscenter för nanoelektronik. Nealeys laboratorium banade väg för denna process av riktad självmontering av blocksampolymerer med användning av kemiska nanomönster.

Närmar sig gränserna

Upplösningen av det kemiska mönstret närmar sig den nuvarande gränsen för traditionell fotolitografi, noterade Lance Williamson, en doktorand i molekylär teknik vid UChicago och medförfattare till artikeln Nature Nanotechnology. "Imec har förmågan att utföra fotolitografin i denna skala över stora ytor med hög precision, " sa Williamson.

Tillbaka på University of Illinois, ingenjörer placerar en blocksampolymer ovanpå detta mönster. Blocksampolymeren självorganiserar, styrs av den underliggande mallen för att bilda mönster som har mycket högre upplösning än själva mallen.

Tidigare arbete har fokuserat på deponering och montering av enhetliga filmer på varje wafer eller substrat, vilket resulterar i mönster med i huvudsak bara en karakteristisk egenskapsstorlek och avstånd mellan funktionerna. Men praktiska tillämpningar kan behöva blocksampolymerer av flera dimensioner mönstrade eller rymdplacerade över en wafer.

"Denna uppfinning, att använda bläckstråleutskrift för att avsätta olika blocksampolymerfilmer med hög rumslig upplösning över substratet, är mycket möjliggörande när det gäller enhetsdesign och tillverkning genom att du kan realisera olika dimensionsstrukturer i ett lager, sade Nealey. Dessutom, de olika dimensionsmönstren kan faktiskt riktas till att monteras med antingen samma eller olika mallar i olika regioner."

Fördelar med e-jet-utskrift

Den avancerade formen av bläckstråleutskrift som ingenjörerna använder för att lokalt deponera blocksampolymerer kallas elektrohydrodynamisk, eller e-jet-utskrift. Den fungerar ungefär som de bläckstråleskrivare som kontorsanställda använder för att skriva ut på papper. "Tanken är materialflöde från små öppningar, förutom att e-jet är en speciell, högupplöst version av bläckstråleskrivare som kan skriva ut funktioner ner till flera hundra nanometer, " sa Onses. Och eftersom e-jet naturligt kan hantera flytande bläck, den är exceptionellt väl lämpad för att mönstra lösningssuspensioner av nanorör, nanokristaller, nanotrådar och andra typer av nanomaterial.

"Den mest intressanta aspekten av detta arbete är förmågan att kombinera 'top down' tekniker för jetprinting med 'bottom up' processer för självmontering, på ett sätt som öppnar upp nya möjligheter inom litografi – applicerbart på både mjuka och hårda material, " sa Rogers.

"Möjligheterna ligger i att forma mönstrade strukturer av nanomaterial för att möjliggöra deras integration i verkliga enheter. Jag är optimistisk om möjligheterna."