En exakt, kemikaliefri metod för att etsa nanoskala egenskaper på kiselwafers har utvecklats av ett team från Penn State och Southwest Jiaotong University och Tsinghua University i Kina.

I standardlitografi, en ljuskänslig film avsätts på en kiselskiva och ett mönster som kallas en mask används för att exponera vissa delar av filmen. Sedan, kemikalier - som en kaliumhydroxidlösning - etsar in mönster i kislet. Ytterligare steg krävs för att jämna ut den uppruggade ytan.

Forskarna från Penn State och Southwest Jiaotong University utvecklade en helt annan, kemikalie- och maskfri, enstegsprocess. De gnuggade lätt en rundad kiseldioxidspets på ett instrument som kallas ett skanningssondmikroskop över ett kiselsubstrat - den materialbas som vanligtvis används för att tillverka elektroniska enheter. När den utsätts för vattenånga i luften, det översta lagret av kisel bildar bindningar med spetsen på skanningssonden, och ett enda lager av atomer glider av när sonden rör sig över kislet. Eftersom atomerna nedan inte deltar i den kemiska reaktionen, de är helt oskadade.

"Det är verkligen en ganska unik idé, sa Seong Kim, professor i kemiteknik, Penn State. "Det är en så kallad tribokemisk reaktion. Till skillnad från kemiska reaktioner orsakade av värme, ljus eller elektriska fält, som alla är mycket studerade, mekaniskt stimulerade kemiska reaktioner är mindre förstådda."

Avlägsningsmekanismen initieras när kislet utsätts för luft och det översta atomskiktet av kiselatomer reagerar med vattenmolekyler för att bilda kisel-syre-vätebindningar. Sedan bildar kiseloxidytan på spetsen en kiseloxid-kiselbindning med substratytan under skjuvkraften från den rörliga spetsen. Detta underlättar avlägsnandet av kiselatomen från den översta ytan av substratet.

Människor inom nanotillverkning som försöker minska storleken på enhetens funktioner ner till dimensioner i atomär skala kan finna denna teknik användbar, Kim tror.

"Etsning av atomlager kan ge den djupupplösning som människor skulle vilja få utan användning av offerlager och starka kemikalier, " han sa.

Den här typen av mönstringsmetod är för långsam för mikrotillverkning nu, Kim erkände. Dock, forskare skulle kunna använda den för att skapa en plattform för att testa elektroniska och mikroelektromekaniska enheter med funktioner i Ångström eller enatomsskala, mycket mindre än nuvarande enheter. Minst ett företag, IBM, har experimenterat med flera sondmatriser som kan leda till storskalig mönstring av enheter.

"Vår process kan kombineras med deras process för att skala upp, " sa Kim. "Detta är den första vetenskapsdelen. När vi väl ser vetenskapen, många möjligheter kan utforskas. Till exempel, vi tror att den här tekniken kommer att fungera med andra material utöver kisel."

Forskarna beskriver sin teknik i Naturkommunikation i en artikel med titeln "Nanotillverkning av kiselyta med precision i ett enda atomskikt via mekanokemiska reaktioner."