La nanolithographie au stylo thermique transforme la pointe du microscope à sonde à balayage en un minuscule fer à souder qui peut être utilisé pour dessiner des motifs chimiques aussi petits que 20 nanomètres sur des surfaces. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de DeYoreo, et. Al
Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont mis en lumière le rôle de la température dans le contrôle d'une technique de fabrication permettant de dessiner des motifs chimiques aussi petits que 20 nanomètres. Cette technique pourrait fournir une solution peu coûteuse, voie rapide pour cultiver et modeler une grande variété de matériaux sur des surfaces pour construire des circuits électriques et des capteurs chimiques, ou étudier comment les produits pharmaceutiques se lient aux protéines et aux virus.
Une façon d'écrire directement des structures nanométriques sur un substrat consiste à utiliser une pointe de microscope à force atomique (AFM) comme stylo pour déposer des molécules d'encre par diffusion moléculaire sur la surface. Contrairement aux techniques conventionnelles de nanofabrication qui sont coûteuses, nécessitent des environnements spécialisés et travaillent généralement avec seulement quelques matériaux, cette technique, appelée nanolithographie au crayon, peut être utilisé dans presque n'importe quel environnement pour écrire de nombreux composés chimiques différents. Un cousin de cette technique, appelé nanolithographie au stylo à immersion thermique, étend cette technique aux matériaux solides en transformant une pointe AFM en un minuscule fer à souder.
La nanolithographie au stylo plongeant peut être utilisée pour modeler des caractéristiques aussi petites que 20 nanomètres, plus de quarante mille fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Quoi de plus, la pointe d'écriture sert également de profileur de surface, permettant à une surface fraîchement écrite d'être imagée avec une précision à l'échelle nanométrique immédiatement après la structuration.
« La fabrication à base de pointes est très prometteuse pour la fabrication précise de dispositifs nanométriques, " dit Jim DeYoreo, directeur par intérim de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche en nanosciences du DOE. "Toutefois, une technologie robuste nécessite une base scientifique fondée sur une compréhension du transfert de matière au cours de ce processus. Notre étude est la première à fournir cette compréhension fondamentale de la nanolithographie au stylo thermique."
Debin Wang, Sungwook Chung et James DeYoreo de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab ont mis en lumière une technique de fabrication à base de pointes pour modeler une grande variété de matériaux sur des surfaces afin de construire des circuits électriques et des capteurs chimiques. ou étudier comment les produits pharmaceutiques se lient aux protéines et aux virus. Crédit :Photo de Roy Kaltschmidt, Laboratoire de Berkeley
Dans cette étude, DeYoreo et ses collègues ont systématiquement étudié l'effet de la température sur la taille des caractéristiques. En utilisant leurs résultats, l'équipe a développé un nouveau modèle pour déconstruire comment les molécules d'encre se déplacent de la pointe d'écriture au substrat, s'assembler en une couche ordonnée et se développer en une caractéristique à l'échelle nanométrique.
"En considérant attentivement le rôle de la température dans la nanolithographie thermique au stylo, nous pourrions être en mesure de concevoir et de fabriquer des modèles à l'échelle nanométrique de matériaux allant de petites molécules à des polymères avec un meilleur contrôle sur la taille et la forme des caractéristiques sur une variété de substrats, " dit Sungwook Chung, membre du personnel scientifique de la division des biosciences physiques du Berkeley Lab, et utilisateur de Foundry travaillant avec DeYoreo.
"Cette technique permet de surmonter les limitations fondamentales de l'échelle de longueur sans avoir besoin de méthodes de croissance complexes."
DeYoreo et Chung ont collaboré avec une équipe de recherche de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign spécialisée dans la fabrication d'embouts spécialisés pour les AFM. Ici, ces collaborateurs ont développé une pointe AFM à base de silicium avec un gradient d'atomes porteurs de charges saupoudrés dans le silicium de telle sorte qu'un nombre plus élevé réside à la base tandis que moins se trouvent à la pointe. Cela fait chauffer la pointe lorsque l'électricité la traverse, un peu comme le brûleur d'une cuisinière électrique.
Ce 'nanoheater' peut ensuite être utilisé pour chauffer les encres appliquées sur la pointe, les faisant couler à la surface pour fabriquer des caractéristiques à l'échelle microscopique et nanométrique. Le groupe l'a démontré en dessinant des points et des lignes de la molécule organique d'acide mercaptohexadécanoïque sur des surfaces d'or. Plus la pointe est chaude, plus la taille des fonctionnalités que l'équipe pouvait dessiner est grande.
"Nous sommes ravis de cette collaboration avec Berkeley Lab, qui combine leurs remarquables capacités nanoscientifiques avec notre technologie pour contrôler la température et le flux de chaleur à l'échelle nanométrique, " dit le co-auteur William P. King, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Université de l'Illinois. "Notre capacité à contrôler la température à l'intérieur d'un point à l'échelle nanométrique a permis cette étude du transport à l'échelle moléculaire. En réglant la température du point chaud, nous pouvons sonder comment les molécules s'écoulent vers une surface."
"Ce contrôle thermique du transfert de la pointe à la surface développé par le groupe du professeur King ajoute de la polyvalence en permettant des variations à la volée dans la taille des caractéristiques et la configuration des matériaux liquides et solides, " ajoute DeYoreo.
