Questa immagine mostra la topografia (mediante microscopio a forza atomica) di un line array ferroelettrico PTO cristallizzato su un film precursore dello spessore di 360 nanometri su poliimmide. La barra della scala corrisponde a un micron. Credito:per gentile concessione di Suenne Kim
Utilizzando una tecnica nota come nanolitografia termochimica (TCNL), i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per fabbricare strutture ferroelettriche su scala nanometrica direttamente su substrati di plastica flessibili che non sarebbero in grado di resistere alle temperature di lavorazione normalmente richieste per creare tali nanostrutture.
La tecnica, che utilizza una punta riscaldata del microscopio a forza atomica (AFM) per produrre modelli, potrebbe facilitare l'alta densità, produzione a basso costo di strutture ferroelettriche complesse per array di raccolta di energia, sensori e attuatori in sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) e microelettromeccanici (MEMS). La ricerca è stata riportata il 15 luglio sulla rivista Materiale avanzato .
"Possiamo creare direttamente materiali piezoelettrici della forma che vogliamo, dove li vogliamo, su substrati flessibili per l'utilizzo nella raccolta di energia e altre applicazioni, " disse Nazanin Bassiri-Gharb, co-autore del documento e assistente professore presso la School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Questa è la prima volta che strutture come queste sono state coltivate direttamente con un processo compatibile con CMOS a una risoluzione così piccola. Non solo siamo stati in grado di far crescere queste strutture ferroelettriche a basse temperature del substrato, ma siamo anche stati in grado di modellarli su scale molto piccole".
La ricerca è stata sponsorizzata dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Oltre ai ricercatori della Georgia Tech, il lavoro ha coinvolto anche scienziati dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e dell'Università del Nebraska Lincoln.
I ricercatori hanno prodotto fili larghi circa 30 nanometri e sfere con diametri di circa 10 nanometri utilizzando la tecnica del patterning. Sfere con potenziale applicazione come memoria ferroelettrica sono state fabbricate a densità superiori a 200 gigabyte per pollice quadrato - attualmente il record per questo materiale ferroelettrico di tipo perovskite, disse Suenne Kim, il primo autore dell'articolo e un borsista post-dottorato in laboratorio della professoressa Elisa Riedo presso la School of Physics della Georgia Tech.
I materiali ferroelettrici sono attraenti perché mostrano risposte piezoelettriche generatrici di carica di un ordine di grandezza maggiori di quelle di materiali come il nitruro di alluminio o l'ossido di zinco. La polarizzazione dei materiali può essere cambiata facilmente e rapidamente, dando loro una potenziale applicazione come elementi di memoria ad accesso casuale.
Ma i materiali possono essere difficili da fabbricare, richiedono temperature superiori a 600 gradi Celsius per la cristallizzazione. Le tecniche di incisione chimica producono granulometrie grandi quanto le caratteristiche su scala nanometrica che i ricercatori vorrebbero produrre, mentre i processi di incisione fisica danneggiano le strutture e ne riducono le proprietà attrattive. Fino ad ora, queste sfide richiedevano che le strutture ferroelettriche venissero coltivate su un substrato monocristallino compatibile con le alte temperature, quindi trasferito su un substrato flessibile per l'uso nella raccolta di energia.
Il processo di nanolitografia termochimica, che è stato sviluppato presso la Georgia Tech nel 2007, affronta queste sfide utilizzando un riscaldamento estremamente localizzato per formare strutture solo dove la punta AFM riscaldata in modo resistivo contatta un materiale precursore. Un computer controlla la scrittura AFM, consentendo ai ricercatori di creare modelli di materiale cristallizzato dove desiderato. Per creare strutture per la raccolta di energia, Per esempio, le linee corrispondenti ai nanofili ferroelettrici possono essere tracciate lungo la direzione in cui verrebbe applicata la deformazione.
"Il calore della punta dell'AFM cristallizza il precursore amorfo per creare la struttura, "Spiegava Bassiri-Gharb. "I pattern si formano solo dove avviene la cristallizzazione".
L'immagine al microscopio elettronico a scansione mostra un grande line array PZT cristallizzato su un film precursore dello spessore di 240 nanometri su un wafer di silicio platinato. Credito:per gentile concessione di Yaser Bastani
Per iniziare la fabbricazione, il materiale precursore sol-gel viene prima applicato a un substrato con un metodo di rivestimento di rotazione standard, quindi riscaldato brevemente a circa 250 gradi Celsius per eliminare i solventi organici. I ricercatori hanno utilizzato poliimmide, substrati di vetro e silicio, ma in linea di principio potrebbe essere utilizzato qualsiasi materiale in grado di resistere alla fase di riscaldamento di 250 gradi. Le strutture sono state realizzate in Pb(ZrTi)O 3 – noto come PZT, e PbTiO 3 – noto come PTO.
"Scaldiamo ancora il precursore alle temperature richieste per cristallizzare la struttura, ma il riscaldamento è così localizzato da non intaccare il substrato, " ha spiegato Riedo, un coautore del documento e un professore associato presso la Georgia Tech School of Physics.
Le punte AFM riscaldate sono state fornite da William King, professore nel Dipartimento di Scienze e Ingegneria Meccanica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Come passo successivo, i ricercatori prevedono di utilizzare matrici di punte AFM per produrre aree modellate più grandi, e migliorare le punte AFM riscaldate per funzionare per periodi di tempo più lunghi. I ricercatori sperano anche di comprendere la scienza di base alla base dei materiali ferroelettrici, comprese le proprietà su scala nanometrica.
"Dobbiamo esaminare la termodinamica di crescita di questi materiali ferroelettrici, " ha detto Bassiri-Gharb. "Dobbiamo anche vedere come cambiano le proprietà quando si passa dalla massa alla scala micron e poi alla scala nanometrica. Dobbiamo capire cosa succede veramente alle risposte estrinseche e intrinseche dei materiali a queste piccole scale".
In definitiva, matrici di punte AFM sotto il controllo del computer potrebbero produrre dispositivi completi, fornendo un'alternativa alle attuali tecniche di fabbricazione.
"La nanolitografia termochimica è una tecnica di nanofabbricazione molto potente che, tramite riscaldamento, è come una penna su scala nanometrica che può creare nanostrutture utili in una varietà di applicazioni, compresi array proteici, array di DNA, e nanofili simili al grafene, "Spiega Riedo. "Stiamo davvero affrontando il problema causato dai limiti esistenti della fotolitografia a queste scale di dimensioni. Possiamo immaginare di creare un dispositivo completo basato sulla stessa tecnica di fabbricazione senza i requisiti di costose camere bianche e apparecchiature basate sul vuoto. Ci stiamo muovendo verso un processo in cui vengono eseguiti più passaggi utilizzando lo stesso strumento per creare modelli su piccola scala".
