Нанолитография пером
Нанолитография пером ( DPN ) — это метод сканирующей зондовой литографии , при котором наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ) используется для непосредственного создания узоров на подложке. [1] Это можно сделать на самых разных материалах с помощью различных чернил. Типичным примером этого метода является использование алкантиолатов для отпечатка на поверхности золота. [2] Этот метод позволяет создавать на поверхности узоры размером менее 100 нанометров . DPN — это нанотехнологический аналог погружной ручки (также называемой гусиной ручкой ), в которой кончик кантилевера атомно-силового микроскопа действует как «ручка», покрытая химическим соединением или смесью, действующей как «чернила», и контактировать с подложкой, «бумагой». [3]
DPN обеспечивает гибкое прямое осаждение наноразмерных материалов на подложку. Недавние достижения продемонстрировали массовое параллельное формирование паттернов с использованием двумерных массивов из 55 000 наконечников.
В настоящее время эта технология применяется в химии , материаловедении и науках о жизни , включая такие работы, как биологические наноматрицы сверхвысокой плотности и аддитивный ремонт фотомасок . [4]
Разработка
[ редактировать ]О неконтролируемом переносе молекулярных «чернил» с наконечника АСМ с покрытием на подложку впервые сообщили Яшке и Батт в 1995 году. [5] но они ошибочно пришли к выводу, что алкантиолы не могут быть перенесены на золотые подложки с образованием стабильных наноструктур. Исследовательская группа Северо-Западного университета в США под руководством Чада Миркина независимо изучила этот процесс и определила, что при соответствующих условиях молекулы могут быть перенесены на самые разные поверхности для создания стабильных химически адсорбированных монослоев в литографическом процессе с высоким разрешением, который они назвали « ДПН». [6] Миркин и его коллеги владеют патентами на этот процесс. [7] а техника нанесения рисунка расширилась и теперь включает жидкие «чернила». Важно отметить, что «жидкие чернила» управляются совершенно другим механизмом нанесения по сравнению с «молекулярными чернилами».
Материалы для осаждения
[ редактировать ]Молекулярные чернила
[ редактировать ]Молекулярные чернила обычно состоят из небольших молекул, которые наносятся на наконечник DPN и доставляются на поверхность через водный мениск. [ нужна ссылка ] Чтобы покрыть кончики, можно либо нанести на них паровое покрытие, либо окунуть кончики в разбавленный раствор, содержащий молекулярные чернила. При нанесении на наконечники окунаемого покрытия растворитель необходимо удалить перед нанесением. Скорость осаждения молекулярных чернил зависит от скорости диффузии молекулы, которая различна для каждой молекулы. Размер элемента определяется временем пребывания наконечника на поверхности (от миллисекунд до секунд) и размером водного мениска , который определяется условиями влажности (при условии, что радиус кривизны наконечника намного меньше, чем мениск). ).
- Опосредован водным мениском (существуют исключения)
- Наноразмерное разрешение (от 50 до 2000 нм)
- Никаких мультиплексных отложений
- Каждые молекулярные чернила ограничены соответствующим субстратом.
Примеры
[ редактировать ]- Алкантиолы , написанные на золоте
- Силаны (твердая фаза), написанные на стекле или кремнии.
Жидкие чернила
[ редактировать ]
Жидкие чернила могут представлять собой любой материал, который является жидким в условиях осаждения. Свойства осаждения жидкости определяются взаимодействием между жидкостью и наконечником, жидкостью и поверхностью, а также вязкостью самой жидкости. Эти взаимодействия ограничивают минимальный размер элемента жидких чернил примерно до 1 микрометра, в зависимости от угла контакта жидкости. Более высокие вязкости обеспечивают больший контроль над размером элементов и желательны. В отличие от молекулярных чернил, можно выполнять мультиплексное осаждение с использованием жидкости-носителя. Например, используя вязкий буфер, можно напрямую депонировать несколько белков одновременно.
- Разрешение объекта 1–10 микрометров
- Мультиплексные отложения
- Менее строгие требования к чернилам и поверхности
- Прямое нанесение материалов высокой вязкости
Примеры
[ редактировать ]- Белок, [8] [9] пептид, [10] и ДНК [11] нанесение рисунка
- Гидрогели
- только гели [12]
- Проводящие чернила [13]
- Липиды [14] [15]
- Силаны (жидкая фаза), написанные на стекле или кремнии.
Приложения
[ редактировать ]Чтобы определить хорошее приложение DPN, важно понимать, что DPN может делать, чего не могут другие методы. Методы прямой записи, такие как контактная печать, позволяют создавать модели из нескольких биологических материалов, но не могут создавать элементы с субклеточным разрешением. Многие методы литографии с высоким разрешением позволяют создавать модели с разрешением субмикрометра, но для этого требуется дорогостоящее оборудование, не предназначенное для осаждения биомолекул и культивирования клеток. Микроконтактная печать может печатать биомолекулы в условиях окружающей среды, но она не может создавать модели из нескольких материалов с наноразмерной регистрацией.
Промышленное применение
[ редактировать ]Ниже приведены некоторые примеры того, как DPN применяется к потенциальным продуктам.
- Функционализация биосенсора — размещение нескольких доменов захвата напрямую на одном биосенсорном устройстве.
- Изготовление наноразмерных датчиков — небольшие, ценные датчики, которые могут обнаруживать несколько целей. [16]
- Наноразмерные протеиновые чипы – белковые массивы высокой плотности с повышенной чувствительностью.
Новые приложения
[ редактировать ]Клеточная инженерия
[ редактировать ]DPN становится мощным исследовательским инструментом для манипулирования клетками с субклеточным разрешением. [17] [18]
- Дифференциация стволовых клеток
- Субклеточная доставка лекарств
- Сортировка ячеек
- Градиенты поверхности
- Паттерны субклеточных белков ЕСМ
- Клеточная адгезия
Быстрое прототипирование
[ редактировать ]
- Плазмоника и метаматериалы
- Скрининг клеток и тканей
Характеристики
[ редактировать ]Прямая запись
[ редактировать ]DPN — это метод прямой записи, поэтому его можно использовать для литографии сверху вниз и снизу вверх. При работе сверху вниз наконечники используются для нанесения травильного резиста на поверхность, после чего следует стандартный процесс травления . [19] При использовании снизу вверх интересующий материал доставляется непосредственно на поверхность через наконечники.
Уникальные преимущества
[ редактировать ]- Направленное размещение. Прямая печать различных материалов на существующих нано- и микроструктурах с наноразмерной регистрацией.
- Прямая запись — создание произвольных узоров без маски с разрешением элементов от 50 нм до 10 микрометров. [20]
- Биосовместимость: разрешение от субклеточного до наномасштаба при условиях осаждения в окружающей среде.
- Масштабируемость – независимость от силы, позволяющая выполнять параллельные осаждения. [21]
Литография терморучкой
[ редактировать ]Также была продемонстрирована версия литографии Dip Pen с нагретым кончиком зонда, термическая литография Dip Pen (tDPL), для осаждения наночастиц . [22] С помощью этого метода на подложку можно записать полупроводниковые, магнитные, металлические или оптически активные наночастицы. Частицы суспендируются в матрице из полиметилметакрилата (ПММА) или эквивалентного полимера и нагреваются кончиком зонда до тех пор, пока они не начнут течь. Наконечник зонда действует как наноручка и может формировать из наночастиц запрограммированную структуру. В зависимости от размера наночастиц достигалось разрешение 78–400 нм. O 2 Плазменное травление можно использовать для удаления матрицы ПММА, а в случае наночастиц оксида железа еще больше снизить разрешение линий до 10 нм. [22] Уникальные преимущества tDPL заключаются в том, что это аддитивный процесс без маски, который позволяет достичь очень узкого разрешения, а также позволяет легко записывать многие типы наночастиц, не требуя специальных методов приготовления раствора. Однако у этого метода есть ограничения. Наночастицы должны быть меньше радиуса вращения полимера, в случае ПММА он составляет около 6 нм. Кроме того, по мере увеличения размера наночастиц увеличивается вязкость, замедляя процесс. Для чистого полимера достижима скорость осаждения 200 мкм/с. Добавление наночастиц снижает скорость до 2 мкм/с, но все равно быстрее, чем обычная литография пером. [22]
Литография лучевым пером
[ редактировать ]Двумерный массив деформируемых прозрачных наконечников пирамидальной формы ( ПДМС ) покрыт непрозрачным слоем металла. Затем металл удаляется с самого кончика пирамиды, оставляя отверстие для прохождения света. Затем массив сканируется по поверхности, и свет направляется на основание каждой пирамиды через решетку микрозеркал, которая направляет свет к вершине. В зависимости от расстояния между кончиками и поверхностью свет взаимодействует с поверхностью в ближнем или дальнем поле, позволяя создавать элементы субдифракционного масштаба (элементы 100 нм со светом 400 нм) или более крупные элементы. [23]
Распространенные заблуждения
[ редактировать ]Прямое сравнение с другими методами
[ редактировать ]
 | Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументативное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлен оригинальный аргумент по определенной теме. ( декабрь 2023 г. ) |
Критика, чаще всего направленная в адрес DPN, — это скорость формирования паттернов. Причина этого больше связана с тем, как его сравнивают с другими методами, а не с какими-либо присущими ему недостатками. Например, метод мягкой литографии , микроконтактная печать (μCP), является текущим стандартом недорогого настольного микро- и наноразмерного рисунка, поэтому легко понять, почему DPN сравнивают непосредственно с микроконтактной печатью. Проблема в том, что сравнения обычно основаны на приложениях, которые хорошо подходят для микроСР, а не на сравнении их с каким-то нейтральным приложением. μCP имеет возможность создавать узор на одном материале на большой площади за один этап штамповки, точно так же, как фотолитография может создавать узор на большой площади за одну экспозицию. Конечно, DPN медленный по сравнению с силой другой техники. DPN — это метод прямой записи без маски, который можно использовать для создания нескольких шаблонов различного размера, формы и разрешения функций на одной подложке. Никто не будет пытаться применить микроконтактную печать к такому проекту, потому что тогда никогда не окупятся время и деньги, необходимые для изготовления каждого мастер-штампа для каждого нового шаблона. Даже если бы они это сделали, микроконтактная печать не смогла бы согласовать несколько материалов из нескольких марок с наноразмерным реестром. [24] Лучший способ понять это заблуждение — подумать о различных способах применения фотолитографии и электронно-лучевой литографии. Никто не будет пытаться использовать электронный луч для решения проблемы фотолитографии, а затем утверждать, что электронный луч «слишком медленный». По сравнению с возможностями фотолитографии по созданию рисунков на большой площади, электронно-лучевая литография медленна , и тем не менее, электронно-лучевые инструменты можно найти в каждой лаборатории и нанофабрике в мире. Причина этого в том, что электронный луч обладает уникальными возможностями, которые не могут быть достигнуты с помощью фотолитографии, так же как DPN обладает уникальными возможностями, которые не могут быть достигнуты с помощью микроконтактной печати.
Подключение к атомно-силовой микроскопии
[ редактировать ]DPN развилась непосредственно из AFM, поэтому неудивительно, что люди часто предполагают, что любой коммерческий AFM может проводить эксперименты с DPN. Фактически, DPN не требует AFM, а AFM не обязательно обладает реальными возможностями DPN. Существует отличная аналогия со сканирующей электронной микроскопией (SEM) и электронно-лучевой (E-beam) литографией. Электронный луч произошел непосредственно от технологии SEM, и оба используют сфокусированный электронный луч, но невозможно проводить современные эксперименты по электронной литографии на SEM, в котором отсутствуют соответствующие аппаратные и программные компоненты для литографии.
Также важно учитывать одну из уникальных характеристик ДПН, а именно ее силовую независимость. Практически при всех комбинациях чернил и носителей рисунок будет иметь одинаковый размер, независимо от того, насколько сильно наконечник прижимается к поверхности. [25] При использовании надежных SiN-наконечников нет необходимости в сложной электронике с обратной связью, в лазерах, в четырехфотодиодах и в АСМ.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джинджер, Дэвид С.; Чжан, Хуа; Миркин, Чад А. (2004). «Эволюция нанолитографии пером». Angewandte Chemie, международное издание . 43 (1): 30–45. дои : 10.1002/anie.200300608 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 14694469 .
- ^ Пинер, Р.Д. (1999). « Нанолитография «Dip-Pen». Наука . 283 (5402): 661–663. дои : 10.1126/science.283.5402.661 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 9924019 . S2CID 27011581 .
- ^ «ДПН – Северо-Западный – Интро» . Северо-Западный университет. Архивировано из оригинала 12 июня 2013 года . Проверено 7 мая 2013 г.
- ^ Эльхадж, Селим; Чернов, Александр А; Де Йорео, Джеймс Дж. (13 февраля 2008 г.). «Ремонт поверхностей с помощью растворителя и формирование рисунка с помощью АСМ» . Нанотехнологии . 19 (10). Издание IOP: 105304. Бибкод : 2008Nanot..19j5304E . дои : 10.1088/0957-4484/19/10/105304 . ISSN 0957-4484 . ПМИД 21817697 . S2CID 22708216 .
- ^ Яшке, М.; Батт, Х.-Дж. (1995). «Осаждение органического материала кончиком сканирующего силового микроскопа». Ленгмюр . 11 (4): 1061–1064. дои : 10.1021/la00004a004 .
- ^ Пинер, Р.Д.; Чжу, Дж.; Сюй, Ф.; Хонг, С.; Миркин, Калифорния (1999). «Нанолитография пером». Наука . 283 (5402): 661–663. дои : 10.1126/science.283.5402.661 . ПМИД 9924019 . S2CID 27011581 .
- ^ «Нанолитография пером» . Архивировано из оригинала 12 июня 2013 года . Проверено 7 мая 2013 г.
- ^ Ли, К.-Б. (7 февраля 2002 г.). «Белковые наноматрицы, созданные методом нанолитографии с помощью пера» . Наука . 295 (5560). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1702–1705. Бибкод : 2002Sci...295.1702L . дои : 10.1126/science.1067172 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 11834780 . S2CID 1050903 .
- ^ Ли, Юго-Запад; Ой, Б.-К.; Санедрин, Р.Г.; Салайта, К.; Фудзигая, Т.; Миркин, Калифорния (2 мая 2006 г.). «Биологически активные белковые наноматрицы, созданные с помощью параллельной нанолитографии с помощью погружного пера» . Продвинутые материалы . 18 (9). Уайли: 1133–1136. Бибкод : 2006AdM....18.1133L . дои : 10.1002/adma.200600070 . ISSN 0935-9648 . S2CID 136684662 .
- ^ Систиабуди, Ризалди; Иванишевич, Албена (2 октября 2008 г.). «Нанолитография биоактивных пептидов пером на мембране сетчатки с концевыми коллагеновыми группами». Продвинутые материалы . 20 (19). Уайли: 3678–3681. Бибкод : 2008AdM....20.3678S . дои : 10.1002/adma.200800950 . ISSN 0935-9648 . S2CID 135957280 .
- ^ Демерс, Л.М. (7 июня 2002 г.). «Прямое формирование рисунка модифицированных олигонуклеотидов на металлах и изоляторах с помощью нанолитографии пером». Наука . 296 (5574). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1836–1838 гг. Бибкод : 2002Sci...296.1836D . дои : 10.1126/science.1071480 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12052950 . S2CID 25516647 .
- ^ Фу; Лю; Чжан; Дравид (2003). «Наноструктурирование «жестких» магнитных наноструктур с помощью ДПН и чернил на основе золя». Нано-буквы . 3 (6): 757–760. Бибкод : 2003NanoL...3..757F . дои : 10.1021/nl034172g . S2CID 44215721 .
- ^ Су; Аслам; Фу; Ву; Дравид (2004). «Нанесение нанорисунков светочувствительного проводящего полимера пером с использованием мономерных чернил». Прил. Физ. Летт . 84 (21): 4200. Бибкод : 2004ApPhL..84.4200S . дои : 10.1063/1.1737469 . S2CID 7050999 .
- ^ Ленхерт, Стивен; Сунь, Пэн; Ван, Юхуан; Фукс, Харальд; Миркин, Чад А. (2007). «Массивно-параллельная нанолитография гетерогенных многослойных структур фосфолипидов на подложке». Маленький . 3 (1): 71–75. дои : 10.1002/smll.200600431 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 17294472 . S2CID 32133498 .
- ^ Секула, Сильвия; Фукс, Жанетт; Вег-Ремерс, Сюзанна; Нагель, Питер; Шупплер, Стефан; и др. (2008). «Мультиплексная липидная нанолитография с помощью пера на субклеточных масштабах для создания шаблонов функциональных белков и клеточных культур». Маленький . 4 (10). Уайли: 1785–1793. дои : 10.1002/smll.200800949 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 18814174 . S2CID 13843962 .
- ^ Тан; Ши (2008). «Подготовка датчиков газа через ДПН». Датчики и исполнительные механизмы Б . 131 (2): 379–383. дои : 10.1016/j.snb.2007.11.043 .
- ^ Пульсифер, Эбигейл; Юсуф, Мухаммад Н. (2 марта 2010 г.). «Химия поверхности и клеточные биологические инструменты для анализа адгезии и миграции клеток». ХимБиоХим . 11 (6). Уайли: 745–753. дои : 10.1002/cbic.200900787 . ISSN 1439-4227 . ПМИД 20198673 . S2CID 8243543 .
- ^ Юсуф, Мухаммад Н. (2009). «Модельные субстраты для исследования подвижности клеток». Современное мнение в области химической биологии . 13 (5–6). Эльзевир Б.В.: 697–704. дои : 10.1016/j.cbpa.2009.10.001 . ISSN 1367-5931 . ПМИД 19864174 .
- ^ Чжан, Хуа; Амро, Набиль А.; Дисавал, Сандип; Элганиан, Роберт; Шил, Роджер; Фрагала, Джозеф (2 января 2007 г.). «Высокопроизводительное изготовление кремниевых наноструктур методом погружной нанолитографии». Маленький . 3 (1). Уайли: 81–85. дои : 10.1002/smll.200600393 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 17294474 .
- ^ Безмасочная литография
- ^ Nature Chemistry Том 1, август 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с Ву, Дай, Кинг и Шихан «Наномасштабное написание наночастиц-полимерных композитов и сборок наночастиц без маски с использованием тепловых нанозондов» NanoLetters (2009)
- ^ Хо, Фэнвэй; Чжэн, Ляо, Син; Чай, Чен, Сяодун; Миркин, Чад ) . ( 2010 А. : 637–640. Бибкод : 2010NatNa...5..637H . doi : 10.1038/nnano.2010.161 9 ) PMID 20676088 .
- ^ Мэй, Ин; Канниццаро, Кристофер; Пак, Хёншин; Сюй, Цяобин; Богатырев Саид Р.; Йи, Кевин; Гольдман, Натан; Лангер, Роберт; Андерсон, Дэниел Г. (2008). «Совместимые с клетками многокомпонентные белковые массивы с субклеточным разрешением» . Маленький . 4 (10). Уайли: 1600–1604 гг. дои : 10.1002/smll.200800363 . ISSN 1613-6810 . ПМЦ 2679812 . ПМИД 18844310 .
- ^ Существуют исключения при печати на мягких материалах – Мэдлер, К.; Чада, С.; Кюи, X.; Тейлор, М.; Ян, М.; Ла Роза, А. (2008). «Создание наноструктур путем локального протонирования P4VP с помощью нанолитографии пером» . Журнал прикладной физики . 104 (1): 014311–014311–4. Бибкод : 2008JAP...104a4311M . дои : 10.1063/1.2953090 . ISSN 0021-8979 . S2CID 120578436 .
