Gravure localisée d'une plaquette de silicium (100) lors de l'hydrolyse de colloïdes de latex de polystyrène à fonction amidine. La taille des nanopuits peut être contrôlée avec précision avec la taille des colloïdes APSL. Aucun masque de gravure n'est nécessaire et la région à l'extérieur des nanopuits n'est pas du tout gravée. Barre d'échelle =500 nm.
(PhysOrg.com) -- Un coffre-fort, Facile, et une méthode bon marché pour créer des puits de microns et de plus petite taille parfaitement gravés dans une variété de substrats a été développée par des chercheurs du département de génie chimique de Penn State. Des surfaces à motifs similaires sont actuellement fabriquées à l'aide de méthodes de photolithographie complexes et coûteuses et de procédés de gravure dans des conditions de salle blanche et utilisées dans la fabrication de nombreux produits optiques, électrique, et appareils mécaniques.
La découverte du nanopuits a été faite dans les laboratoires de Darrell Velegol et Seong Kim par l'étudiant diplômé de Velegol, Neetu Chaturvedi, et l'étudiant diplômé de Kim, Erik Siao. Un article détaillant leurs recherches, "Fabrication sans masque de nanopuits à l'aide de colloïdes chimiquement réactifs, » paru dans l'édition en ligne de la revue Lettres nano en janvier 2011. En collaboration avec Chaturvedi, Hsiao travaillait sur un projet visant à faire adhérer du polystyrène sur une plaquette de silicium pour créer des nanostructures de dimensions connues. Lorsque Hsiao lui a demandé de chauffer un de ses échantillons, un malentendu l'a amenée à chauffer la plaquette de polystyrène et de silicium à basse température dans l'eau dans l'autoclave normalement utilisé pour les échantillons biologiques plutôt que dans le four sous vide. Lorsqu'ils ont examiné les échantillons au microscope à force atomique (AFM), ils ont remarqué que des trous s'étaient formés sous les particules de polystyrène. Un examen plus approfondi au microscope électronique à balayage (MEB) les a montrés parfaitement gravés, des trous de forme pyramidale dans le substrat sous les endroits où les particules colloïdales de latex de polystyrène fonctionnalisé par amidine avaient adhéré au dioxyde de silicium sur la surface de la tranche de silicium.
« Nous avons vu trois trous dans l'échantillon lors de la première imagerie AFM et ne savions pas ce que cela signifiait car nous nous attendions à des plaques de polymère en forme de crêpe sur l'échantillon, », a déclaré Hsiao. Ils ont apporté l'échantillon à leurs conseillers, qui ont tous deux été surpris par la plaquette gravée. En passant en revue les étapes que les élèves avaient franchies, les chercheurs se sont rendu compte que les puits ont été produits lorsque l'eau a hydrolysé le groupe amidine dans la particule, et par une série de réactions chimiques, a créé un ion hydroxyde qui a gravé le puits dans la plaquette de silicium. Les trous étaient uniformes et leur taille et leur profondeur dépendaient totalement de la taille de la particule de polystyrène d'origine, bien que l'orientation du cristal de silicium ait affecté la forme des puits. Dans une orientation (100), les puits étaient de parfaites pyramides inversées à quatre côtés. Dans l'autre orientation (111), les puits étaient des hexagones parfaits. Les quatre chercheurs les ont appelés nanopuits, parce que la dimension inférieure des puits n'était que de quelques nanomètres de diamètre. Ils se sont vite rendu compte qu'ils avaient découvert une nouvelle méthode sans masque pour créer des structures en silicium sans les étapes complexes normalement requises en salle blanche.
« Nous livrons des ions hydroxyde directement là où nous voulons graver, », a expliqué Velegol. « C'est beaucoup plus sûr et moins cher que la lithographie par faisceau d'électrons et par rayons X. C’est tellement sûr que vous pouvez pratiquement manger ces particules sans aucun mal. »
"Nous pensons que c'est une découverte assez générale, ", a ajouté Kim. « C'est un moyen de fournir de la chimie localement plutôt qu'en vrac. De nombreux métaux, céramique, et d'autres matériaux peuvent être gravés avec cette technique.
Un autre avantage potentiel de la découverte est la possibilité de créer des motifs sur des surfaces courbes, quelque chose qui est difficile à faire avec la photolithographie conventionnelle. Puisque les particules sont en suspension dans l'eau, ils peuvent adhérer à la surface de n'importe quelle forme et s'espacer uniformément sur la surface. Les chercheurs commencent tout juste à trouver des idées intrigantes sur la façon d'utiliser cette technique simple.
De nombreuses percées proviennent d'accidents, Velegol a fait remarquer, car une fois que quelque chose est connu, les gens y travaillent très rapidement jusqu'à ce qu'ils aient rempli toutes les pièces et qu'il y ait moins à découvrir. Les accidents sont hors de propos. "C'est une de ces situations comme Pasteur l'a dit où le hasard favorise l'esprit préparé. Nous n'aurions même jamais pensé à essayer ce genre de chimie. Mais Neetu travaillait avec ces colloïdes depuis plusieurs années, et Erik avait de l'expérience avec l'AFM, ils étaient donc bien préparés pour profiter de l'accident, » a conclu Velegol.
