Направленная сборка микро- и наноструктур
Направленная сборка микро- и наноструктур — это методы массового производства микро- и нано-устройств и материалов. Направленная сборка позволяет точно контролировать сборку микро- и наночастиц для формирования даже самых сложных и высокофункциональных устройств или материалов. [1]
Направленная самосборка
[ редактировать ]Направленная самосборка (DSA) — это тип направленной сборки, в котором используется морфология блок-сополимера для создания линий, пространств и рисунков отверстий, что способствует более точному контролю формы элементов. Затем он использует поверхностные взаимодействия, а также термодинамику полимеров, чтобы завершить формирование окончательных форм узора. [2] Чтобы контролировать поверхностные взаимодействия, обеспечивающие разрешение менее 10 нм, команда, состоящая из Массачусетского технологического института, Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории, в 2017 году разработала способ использования полимерного верхнего слоя, осажденного из паровой фазы, на блок-сополимерной пленке. . [3]
DSA не является отдельным процессом, а скорее интегрирован с традиционными производственными процессами для массового производства микро- и наноструктур с меньшими затратами. Направленная самосборка чаще всего используется в производстве полупроводников и жестких дисков. Полупроводниковая промышленность использует этот метод сборки, чтобы иметь возможность увеличить разрешение (пытаясь разместить больше вентилей), в то время как индустрия жестких дисков использует DSA для производства «носителей с битовой структурой» в соответствии с заданной плотностью хранения. [4]
Микроструктуры
[ редактировать ]Существует множество применений направленной сборки в микромасштабе: от тканевой инженерии до тонких полимерных пленок. В тканевой инженерии направленная сборка смогла заменить каркасный подход к построению тканей. Это происходит путем контроля положения и организации различных клеток, которые являются «строительными блоками» ткани, в различные желаемые микроструктуры. Это устраняет ошибку, связанную с невозможностью воспроизвести одну и ту же ткань, что является серьезной проблемой при использовании каркасного подхода. [5]
Наноструктуры
[ редактировать ]Нанотехнология предоставляет методы организации таких материалов, как молекулы, полимеры, строительные блоки и т. д., для формирования точных наноструктур , которые имеют множество применений. [6] В процессе и применении самосборки пептидов в нанотрубки примером являются одностенные углеродные нанотрубки , которые состоят из листа графена, бесшовно завернутого в цилиндр. Это производится во внешнем потоке углерода и получается путем лазерного испарения графита, обогащенного переходным металлом. [7]
Наноимпринтная литография — популярный метод изготовления рисунков нанометрового масштаба. Узоры изготавливаются путем механической деформации отпечаткового резиста (мономерного или полимерного состава) и последующих процессов. Затем он отверждается теплом или ультрафиолетовым светом, а уровень герметичности резиста и шаблона контролируется в соответствующих условиях в зависимости от наших целей. Кроме того, наноимпринтная литография имеет высокое разрешение и производительность при низкой стоимости. [8] К недостаткам относятся увеличение времени на процедуры создания шаблонов, отсутствие стандартных процедур, что приводит к использованию нескольких методов изготовления, а количество шаблонов, которые можно сформировать, ограничено.
С целью смягчить эти недостатки при применении нанотехнологий в электронике исследователи из Национального научного фонда Наномасштабного научно-технического центра высокоскоростного нанопроизводства (CHN) Северо-Восточного университета совместно с партнерами из Массачусетского университета в Лоуэлле и Университета Нью-Гэмпшира разработали направленный метод. процесс сборки сетей одностенных углеродных нанотрубок (SWNT) для создания шаблона схемы, который можно переносить с одной подложки на другую. [9]
Самоорганизующиеся монослои на твердых подложках
[ редактировать ]Самособирающиеся монослои (SAM) состоят из слоя органических молекул, который естественным образом формируется в виде упорядоченной решетки на поверхности желаемой подложки. Их молекулы в решетке имеют химические связи на одном конце (головная группа), а другой конец (концевая группа) создает открытую поверхность SAM.
Могут быть сформированы многие типы ЗРК. Например: тиолы образуют SAM на золоте, серебре, меди или на некоторых сложных полупроводниках, таких как InP и GaAs . Изменяя хвостовую группу молекул, можно получить различные свойства поверхности; поэтому SAM можно использовать для придания поверхности гидрофобности или гидрофильности, а также для изменения состояния поверхности полупроводника. При самосборке позиционирование SAM используется для точного определения химической системы и определения целевого местоположения в молекулярно-неорганическом устройстве. Благодаря этой характеристике SAM являются хорошими кандидатами на роль молекулярных электронных устройств, например, использование SAM для создания электронных устройств, и, возможно, такие схемы представляют собой интригующую перспективу. Из-за их способности обеспечивать основу для хранения данных с очень высокой плотностью и высокоскоростных устройств. [10]
Акустические методы
[ редактировать ]Направленная сборка с использованием акустических методов манипулирует волнами, чтобы обеспечить неинвазивную сборку микро- и наноструктур. Благодаря этому акустика особенно широко используется в биомедицинской промышленности для манипулирования каплями, клетками и другими молекулами.
Акустические волны генерируются пьезоэлектрическим преобразователем, управляемым от генератора импульсов. Эти волны способны затем манипулировать каплями жидкости и перемещать их вместе, образуя упакованный агрегат. Более того, частоту и амплитуду волн можно изменять, чтобы добиться более точного контроля конкретного поведения капли или клетки. [11]
Оптические методы
[ редактировать ]Направленная сборка или, точнее, направленная самосборка может обеспечить высокое разрешение структуры (~ 10 нм) с высокой эффективностью и совместимостью. Однако при использовании DSA в крупносерийном производстве необходимо иметь возможность количественно оценить степень порядка линий/пространств, формируемых DSA, чтобы уменьшить количество дефектов. [12]
Обычные подходы, такие как сканирующая электронная микроскопия критических размеров (CD-SEM), для получения данных для проверки качества модели, занимают слишком много времени и являются трудоемкими. С другой стороны, метрология на основе оптического скаттерометра является неинвазивным методом и имеет очень высокую производительность благодаря большему размеру пятна. Это приводит к сбору большего количества статистических данных, чем при использовании SEM, а обработка данных также автоматизируется с помощью оптического метода, что делает ее более осуществимой, чем традиционный CD-SEM. [13]
Магнитные методы
[ редактировать ]Самосборка, управляемая магнитным полем (MFDSA), позволяет манипулировать дисперсией и последующей сборкой магнитных наночастиц. Это широко используется при разработке современных материалов, когда неорганические наночастицы (НЧ) диспергируются в полимерах для улучшения свойств материалов.
Метод магнитного поля позволяет собирать частицы в 3D, выполняя сборку в разбавленной суспензии, где растворитель не испаряется. Также не требуется использовать шаблон, и этот подход также улучшает магнитную анизотропию вдоль направления цепи. [14]
Диэлектрофоретические методы
[ редактировать ]Диэлектрофоретическая направленная самосборка использует электрическое поле, которое контролирует металлические частицы, такие как золотые наностержни , путем создания диполя в частицах. Изменяя полярность и силу электрического поля, поляризованные частицы либо притягиваются к положительным областям, либо отталкиваются от отрицательных областей, где электрическое поле имеет более высокую напряженность. Этот метод прямой манипуляции переносит частицы в нужное положение и ориентирует их в наноструктуру на подложке рецептора. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Баханд, М., Н. Ф. Буксейн, С. Ченг, С. Дж. Фон Хойнинген-Хюне, М. Дж. Стивенс и Г. Д. Бачанд. «Направленная самосборка 1D наноматриц из микротрубочек». РСК Адв. 4.97 (2014): 54641-4649. Веб. 15 февраля 2016 г.
- ^ Баханд, М., Н. Ф. Буксейн, С. Ченг, С. Дж. Фон Хойнинген-Хюне, М. Дж. Стивенс и Г. Д. Бачанд. «Направленная самосборка 1D наноматриц из микротрубочек». РСК Адв. 4.97 (2014): 54641-4649. Веб. 16 февраля 2016 г.
- ^ Сох, Хё Сон; Ким, До Хан; Мони, Прия; Сюн, Шишэн; Окола, Леонидас Э.; Залунец, Нестор Дж.; Глисон, Карен К.; Нили, Пол Ф. (июль 2017 г.). «Создание рисунка размером менее 10 нм посредством направленной самосборки пленок блок-сополимера с верхним покрытием, осажденным из паровой фазы» . Природные нанотехнологии . 12 (6): 575–581. Бибкод : 2017НатНа..12..575С . дои : 10.1038/nnano.2017.34 . ISSN 1748-3387 . ОСТИ 1373307 . ПМИД 28346456 .
- ^ «Перспективы технологии DSA для наномасштабного производства». Перспективы технологии DSA для наномасштабного производства. Институт молекулярной инженерии Чикагского университета, без веб-сайта. 16 февраля 2016 г.
- ^ Качуи, Незамоддин Н и др. «Направленная сборка клеточных гидрогелей для инженерных функциональных тканей». Органогенез 6.4 (2010): 234–244. ЧВК. Веб. 15 февраля 2016 г.
- ^ Бринкер, Чарльз Джеффри. «Самосборка, вызванная испарением: наноструктуры стали проще». Annuaire-cdf L'annuaire Du Collège De France 112 (2013): 825-31. Unm.edu. 15 июля 2013 г. Интернет. 17 февраля 2016 г.
- ^ Мол. САМОСБОРКА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК (nd): н. стр. МГУ.edu. Веб. 17 февраля 2016 г.
- ^ Писатель, общественный деятель .. «Литография наноимпринтов». Arc.Ask3.Ru. Фонд Викимедиа, февраль-март. 2011. Интернет. 17 февраля 2016 г.
- ^ Джонсон, Декстер. «Высокоскоростная направленная сборка наноструктур обещает большие изменения в электронике». Нп и Интернет. 17 февраля 2016 г.
- ^ Бабак Амир Парвиз, «Использование самосборки для изготовления наноразмерных электронных и фотонных устройств», Интернет, август 2003 г.
- ^ Ф. Сюй, Т.Д. Финли, М. Туркайдин, Ю. Сунг, У.А. Гуркан, А.С. Явуз, Р.О. Гульдикен, У. Демиричи. «Сборка микромасштабных гидрогелей, инкапсулирующих клетки, с помощью акустических волн». Биоматериалы 32.31 (2011): 7847-7855. НаукаДирект. Веб. 16 февраля 2016 г.
- ^ Диксит, Дайрия Дж. «Оптическая метрология для формирования узоров направленной самосборки с использованием скаттерометрии на основе спектроскопической эллипсометрии матрицы Мюллера». ProQuest Dissertations and Theses Global (2015): 3718824. ProQuest. Веб. 3 марта 2016 г.
- ^ Ван Лук, Л., Ринкон Дельгадильо, П., Ю-цун Ли, Поллентье, И., Гронхейд, Р., И Цао, Гуаньян Линь, Нили, П.Ф. «Квалификация решеток с высокой пропускной способностью для структур направленной самосборки с использованием оптического Метрология." Микроэлектроника 123 (2014): 175-179. НаукаДирект. Веб. 3 марта 2016 г.
- ^ Кромменгук, Питер Джон. «Самосборка магнитных цепей наночастиц в полимерах, управляемая магнитным полем». ProQuest Dissertations and Theses Global (2013): 3690306. ProQuest. Веб. 3 марта 2016 г.
- ^ Пескаглини, А., У. Эмануэле, А. О'Риордан и Даниэла Якопино. «Диэлектрофоретическая самосборка наностержней золота для сенсорных приложений». Iopscience.iop.org. Издательство IOP, 4 марта. 2016. Интернет. 4 марта. 2016.