Forskare från North Carolina State University har utvecklat en ny litografiteknik som använder nanoskala sfärer för att skapa tredimensionella (3-D) strukturer med biomedicinska, elektroniska och fotoniska applikationer. Den nya tekniken är betydligt billigare än konventionella metoder och är inte beroende av att stapla tvådimensionella (2D) mönster för att skapa 3D-strukturer.

"Vårt tillvägagångssätt minskar kostnaderna för nanolitografi till den punkt där det kan göras i ditt garage, " säger Dr Chih-Hao Chang, en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State och senior författare till en artikel om arbetet.

De flesta konventionella litografier använder en mängd olika tekniker för att fokusera ljus på en fotokänslig film för att skapa 2D-mönster. Dessa tekniker är beroende av specialiserade linser, elektronstrålar eller lasrar - som alla är extremt dyra. Andra konventionella tekniker använder mekaniska sonder, som också är kostsamma. För att skapa 3D-strukturer, 2D-mönstren är huvudsakligen tryckta ovanpå varandra.

NC State forskarna tog ett annat tillvägagångssätt, placera nanoskala polystyrenkulor på ytan av den ljuskänsliga filmen.

Nanosfärerna är genomskinliga, men böj och sprid ljuset som passerar genom dem på förutsägbara sätt enligt den vinkel som ljuset tar när det träffar nanosfären. Forskarna kontrollerar nanolitografin genom att ändra storleken på nanosfären, varaktigheten av ljusexponeringar, och vinkeln, ljusets våglängd och polarisering. Forskarna kan också använda en ljusstråle, eller flera ljusstrålar, så att de kan skapa en mängd olika nanostrukturdesigner.

"Vi använder nanosfären för att forma mönstret av ljus, vilket ger oss möjligheten att forma den resulterande nanostrukturen i tre dimensioner utan att använda den dyra utrustning som krävs av konventionella tekniker, " säger Chang. "Och det tillåter oss att skapa 3D-strukturer på en gång, utan att behöva göra lager efter lager av 2D-mönster."

Forskarna har också visat att de kan få nanosfärerna att självmontera i en regelbunden uppsättning, som i sin tur kan användas för att skapa ett enhetligt mönster av 3-D nanostrukturer.

"Detta kan användas för att skapa en uppsättning nanonålar för användning i läkemedelstillförsel eller andra applikationer, säger Xu Zhang, en Ph.D. student i Changs labb och huvudförfattare till uppsatsen.

Den nya tekniken kan också användas för att skapa "bläckstråleskrivare" i nanoskala för att skriva ut elektronik eller biologiska celler, eller för att skapa antenner eller fotoniska komponenter.

"För detta arbete, vi fokuserade på att skapa nanostrukturer med hjälp av ljuskänsliga polymerer, som ofta används inom litografi, " säger Zhang. "Men tekniken kan också användas för att skapa mallar för 3D-strukturer med andra material."

Forskarna tittar för närvarande på flera ytterligare sätt att manipulera tekniken för att kontrollera formen på resulterande strukturer.

"Vi undersöker användningen av andra nanosfärmaterial än polystyren, såväl som andra nanopartikelformer än sfärer, " säger Chang. "Och i slutändan vill vi titta på sätt att kontrollera placeringen av partiklar på den ljuskänsliga filmen i andra mönster än enhetliga arrayer."