Questa immagine al microscopio a forza atomica mostra l'autoassemblaggio diretto di una linea stampata di copolimero a blocchi su un modello preparato mediante fotolitografia. L'immagine è stata colorata e ridimensionata dal software del microscopio. La densità dei motivi nella sagoma (delimitata dalle linee sottili) è due volte quella delle strutture autoassemblate (i nastri). Credito:Serdar Onses/UIUC
Un team multi-istituzionale di ingegneri ha sviluppato un nuovo approccio alla fabbricazione di nanostrutture per l'industria dei semiconduttori e dell'archiviazione magnetica. Questo approccio combina la tecnologia di stampa a getto d'inchiostro avanzata top-down con un approccio bottom-up che coinvolge copolimeri a blocchi autoassemblanti, un tipo di materiale che può formare spontaneamente strutture ultrafini.
Il gruppo, composto da nove ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, l'Università di Chicago e la Hanyang University in Corea, è stato in grado di aumentare la risoluzione della loro complessa fabbricazione della struttura da circa 200 nanometri a circa 15 nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro, la larghezza di una molecola di DNA a doppio filamento.
La capacità di fabbricare nanostrutture da polimeri, DNA, proteine e altri materiali "morbidi" ha il potenziale per consentire nuove classi di elettronica, dispositivi diagnostici e sensori chimici. La sfida è che molti di questi materiali sono fondamentalmente incompatibili con i tipi di tecniche litografiche tradizionalmente utilizzate nell'industria dei circuiti integrati.
Le tecniche di stampa a getto d'inchiostro ad altissima risoluzione sviluppate di recente hanno un certo potenziale, con risoluzione dimostrata fino a 100-200 nanometri, ma ci sono sfide significative nel raggiungimento di una vera dimensione su nanoscala. "Il nostro lavoro dimostra che i processi di autoassemblaggio dei polimeri possono fornire un modo per aggirare questa limitazione, " ha detto John Rogers, lo Swanlund Chair Professor in Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Illinois.
Rogers e i suoi soci riportano le loro scoperte nel numero di settembre di Nanotecnologia della natura . La combinazione della stampa a getto con copolimeri a blocchi autoassemblanti ha consentito agli ingegneri di ottenere una risoluzione molto più elevata, come suggerito dall'autore principale Serdar Onses, uno scienziato post-dottorato all'Illinois. Onses ha conseguito il dottorato presso l'Università del Wisconsin sotto Paul Nealey, ora Brady W. Dougan Professor in Molecular Engineering presso UChicago e coautore del documento Nature Nanotechnology. "Questo concetto si è rivelato davvero utile, " ha detto Rogers.
Gli ingegneri utilizzano materiali autoassemblanti per aumentare i processi fotolitografici tradizionali che generano modelli per molte applicazioni tecnologiche. Per prima cosa creano un modello topografico o chimico utilizzando processi tradizionali. Per il documento Nature Nanotechnology, questo è stato fatto all'imec in Belgio, un centro di ricerca indipendente sulla nanoelettronica. Il laboratorio di Nealey ha aperto la strada a questo processo di autoassemblaggio diretto di copolimeri a blocchi utilizzando nanomodelli chimici.
I ricercatori hanno dipinto questa immagine della farfalla realizzata con pellicole di copolimero a blocchi utilizzando la stampa e-jet (stampa elettroidrodinamica a getto). Il film è costituito da componenti stampati in modo complesso di due pesi molecolari diversi, che mostrano diverse dimensioni e spaziatura su scala di decine di nanometri (un miliardesimo di metro). La farfalla nel suo diametro più largo all'estremità delle ali misura circa 250 micron, la larghezza di pochi capelli umani seduti comodamente uno accanto all'altro. Credito:Serdar Onses/UIUC
Verso i limiti
La risoluzione del pattern chimico si avvicina al limite attuale della fotolitografia tradizionale, ha osservato Lance Williamson, uno studente laureato in ingegneria molecolare presso UChicago e coautore dell'articolo Nature Nanotechnology. "Imec ha la capacità di eseguire la fotolitografia a questa scala su grandi aree con alta precisione, "Ha detto Williamson.
Tornato all'Università dell'Illinois, gli ingegneri posizionano un copolimero a blocchi sopra questo modello. Il copolimero a blocchi si auto-organizza, diretto dal modello sottostante per formare modelli che hanno una risoluzione molto più elevata rispetto al modello stesso.
Il lavoro precedente si è concentrato sulla deposizione e sull'assemblaggio di film uniformi su ciascun wafer o substrato, risultando in modelli con essenzialmente una sola dimensione caratteristica e spaziatura tra le caratteristiche. Ma le applicazioni pratiche potrebbero richiedere copolimeri a blocchi di più dimensioni modellati o posizionati spazialmente su un wafer.
"Questa invenzione, utilizzare la stampa a getto d'inchiostro per depositare diversi film di copolimero a blocchi con elevata risoluzione spaziale sul substrato, è altamente abilitante in termini di progettazione e produzione del dispositivo in quanto è possibile realizzare strutture di dimensioni diverse in un unico strato, " Ha detto Nealey. "Inoltre, i diversi modelli dimensionali possono effettivamente essere indirizzati all'assemblaggio con lo stesso modello o con modelli diversi in regioni diverse."
Un tecnico siede a un sistema di binari presso imec Belgio, un centro di ricerca microelettronica nanoelettronica indipendente. Il sistema riveste, cuoce e sviluppa sottili film polimerici su wafer di silicio, che sono passaggi critici nella fabbricazione dei campioni che imec fornisce al gruppo di ricerca di Paul Nealey presso l'Institute for Molecular Engineering dell'Università di Chicago. Credito:Copyright imec
Vantaggi della stampa e-jet
La forma avanzata di stampa a getto d'inchiostro utilizzata dagli ingegneri per depositare localmente i copolimeri a blocchi è chiamata elettroidrodinamica, o stampa e-jet. Funziona in modo molto simile alle stampanti a getto d'inchiostro utilizzate dagli impiegati per la stampa su carta. "L'idea è flusso di materiali da piccole aperture, tranne che l'e-jet è uno speciale, versione ad alta risoluzione di stampanti a getto d'inchiostro in grado di stampare caratteristiche fino a diverse centinaia di nanometri, " Disse Onses. E poiché l'e-jet è in grado di gestire in modo naturale gli inchiostri fluidi, è eccezionalmente adatto per la modellazione di sospensioni in soluzione di nanotubi, nanocristalli, nanofili e altri tipi di nanomateriali.
"L'aspetto più interessante di questo lavoro è la capacità di combinare tecniche 'top down' di stampa a getto con processi 'bottom up' di autoassemblaggio, in un modo che apre nuove capacità nella litografia, applicabile sia a materiali morbidi che duri, " ha detto Rogers.
"Le opportunità sono nel formare strutture modellate di nanomateriali per consentire la loro integrazione in dispositivi reali. Sono ottimista riguardo alle possibilità".
