La nanolitografia termica a immersione trasforma la punta del microscopio a scansione di sonda in un minuscolo saldatore che può essere utilizzato per disegnare modelli chimici di appena 20 nanometri sulle superfici. Credito:immagine per gentile concessione di DeYoreo, et. al
I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno fatto luce sul ruolo della temperatura nel controllo di una tecnica di fabbricazione per disegnare modelli chimici di appena 20 nanometri. Questa tecnica potrebbe fornire un economico, percorso rapido per coltivare e modellare un'ampia varietà di materiali su superfici per costruire circuiti elettrici e sensori chimici, o studiare come i prodotti farmaceutici si legano a proteine e virus.
Un modo per scrivere direttamente strutture su scala nanometrica su un substrato consiste nell'utilizzare una punta di microscopio a forza atomica (AFM) come penna per depositare molecole di inchiostro sulla superficie mediante diffusione molecolare. A differenza delle tecniche di nanofabbricazione convenzionali che sono costose, richiedono ambienti specializzati e di solito lavorano solo con pochi materiali, questa tecnica, chiamata nanolitografia dip-pen, può essere utilizzato in quasi tutti gli ambienti per scrivere molti composti chimici diversi. Un cugino di questa tecnica, chiamata nanolitografia termica a immersione, estende questa tecnica ai materiali solidi trasformando una punta AFM in un minuscolo saldatore.
La nanolitografia dip-pen può essere utilizzata per modellare elementi piccoli fino a 20 nanometri, più di quarantamila volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Cosa c'è di più, la punta di scrittura funge anche da profilatore di superficie, consentendo di acquisire immagini di una superficie appena scritta con precisione su scala nanometrica subito dopo la modellazione.
"La produzione basata sulle punte è una vera promessa per la fabbricazione precisa di dispositivi su scala nanometrica, " dice Jim De Yoreo, direttore ad interim della fonderia molecolare del Berkeley Lab, un centro di ricerca sulle nanoscienze del DOE. "Però, una tecnologia robusta richiede una base scientifica basata sulla comprensione del trasferimento di materiale durante questo processo. Il nostro studio è il primo a fornire questa comprensione fondamentale della nanolitografia termica a immersione".
Debin Wang, Sungwook Chung e James DeYoreo della Molecular Foundry di Berkeley Lab hanno fatto luce su una tecnica di fabbricazione basata su punta per modellare un'ampia varietà di materiali sulle superfici per costruire circuiti elettrici e sensori chimici, o studiare come i prodotti farmaceutici si legano a proteine e virus. Credito:foto di Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
In questo studio, DeYoreo e colleghi hanno studiato sistematicamente l'effetto della temperatura sulla dimensione delle caratteristiche. Usando i loro risultati, il team ha sviluppato un nuovo modello per decostruire il modo in cui le molecole di inchiostro viaggiano dalla punta di scrittura al substrato, assemblare in uno strato ordinato e crescere in una caratteristica su scala nanometrica.
"Considerando attentamente il ruolo della temperatura nella nanolitografia termica a immersione, potremmo essere in grado di progettare e fabbricare modelli su scala nanometrica di materiali che vanno da piccole molecole a polimeri con un migliore controllo su dimensioni e forme delle caratteristiche su una varietà di substrati, "dice Sungwook Chung, uno scienziato del personale nella divisione di bioscienze fisiche del Berkeley Lab, e utente Foundry che lavora con DeYoreo.
"Questa tecnica aiuta a superare i limiti fondamentali della scala di lunghezza senza la necessità di metodi di crescita complessi".
DeYoreo e Chung hanno collaborato con un team di ricerca dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign specializzato nella fabbricazione di punte specializzate per AFM. Qui, questi collaboratori hanno sviluppato una punta AFM a base di silicio con un gradiente di atomi portatori di carica spruzzati nel silicio in modo tale che un numero maggiore risieda alla base mentre un numero inferiore si siede sulla punta. Questo fa riscaldare la punta quando l'elettricità scorre attraverso di essa, proprio come il fornello di un fornello elettrico.
Questo "nanoriscaldatore" può quindi essere utilizzato per riscaldare gli inchiostri applicati sulla punta, facendoli fluire in superficie per la fabbricazione di caratteristiche su microscala e nanoscala. Il gruppo lo ha dimostrato disegnando punti e linee della molecola organica dell'acido mercaptoesadecanoico su superfici d'oro. Più calda è la punta, maggiore è la dimensione della caratteristica che il team potrebbe disegnare.
"Siamo entusiasti di questa collaborazione con Berkeley Lab, che combina le loro straordinarie capacità di nanoscienza con la nostra tecnologia per controllare la temperatura e il flusso di calore su scala nanometrica, " dice il co-autore William P. King, un professore di scienze meccaniche e ingegneria dell'Università dell'Illinois. "La nostra capacità di controllare la temperatura all'interno di un punto su scala nanometrica ha permesso questo studio del trasporto su scala molecolare. Regolando la temperatura del punto caldo, possiamo sondare come le molecole scorrono su una superficie."
"Questo controllo termico sul trasferimento da punta a superficie sviluppato dal gruppo del Professor King aggiunge versatilità consentendo variazioni al volo nelle dimensioni delle caratteristiche e nei modelli di materiali sia liquidi che solidi, " aggiunge De Yoreo.
