Mesurer comment une goutte d'eau entre en contact avec les rainures d'un moule de nanolithographie pour découvrir l'usure du moule. Crédit :Jun Taniguchi, Université des sciences de Tokyo
La lithographie par nanoimpression ultraviolette (UV-NIL) est une technique de fabrication permettant de produire des nanostructures à l'aide d'une résine durcissable aux UV. L'un de ses principaux avantages est sa simplicité pure; L'UV-NIL consiste essentiellement à couler une résine liquide sur un moule nanostructuré, faire solidifier la résine par irradiation UV, puis en le démoulant. Le résultat est un polymère solide avec une nanostructure qui est l'inverse de celle du moule. En utilisant cette technique, une grande variété de dispositifs fonctionnels et de films minces peuvent être réalisés pour des applications dans des domaines tels que l'optique, électronique, soins de santé, recherche en biologie, et des cellules solaires, pour n'en citer que quelques-uns.
Il est sûr de dire que la pièce d'équipement la plus précieuse dans l'ensemble du processus UV-NIL est le moule maître. Pour les faire durer plus longtemps, des répliques de moules fabriquées à partir du moule maître sont fabriquées et utilisées pour la production en série de dispositifs nanostructurés. Cependant, ces répliques de moules ne sont pas aussi durables que le moule maître, et ils commencent généralement à montrer des signes d'usure macroscopiques après quelques milliers d'empreintes. Malheureusement, il n'existe pas encore de méthode fiable et standard pour prédire la durée de vie des répliques de moules.
Dans une étude récente publiée dans Nanomatériaux , chercheurs de l'Université des sciences de Tokyo et d'Autex Inc., Japon, a mis au point une stratégie intelligente pour dire quand un moule de réplique se brisera. Ils ont réussi à le faire en regardant des gouttelettes d'eau placées sur un moule avec un motif de lignes parallèles espacées et en notant comment l'adhérence des gouttelettes change à mesure que le moule s'use et se déforme avec l'utilisation.
Mais comment fonctionne une telle méthode ? Les gouttelettes liquides reposant sur une surface ont une propriété mesurable appelée angle de contact, qui est l'angle auquel le liquide rencontre le solide à l'interface. Cet angle est facilement mesurable à l'aide de systèmes commerciaux basés sur des caméras.
Tracer l'angle de contact le long des directions parallèle (y) et perpendiculaire (x) en fonction du nombre d'utilisations du moule. Le moule devient défectueux lorsque l'angle de contact selon la direction verticale devient égal à la valeur minimale stable selon la direction perpendiculaire. Crédit :Jun Taniguchi, Université des sciences de Tokyo
Maintenant, dans un moule nanostructuré à lignes parallèles (rainures), l'angle de contact de l'eau présente une anisotropie, ce qui signifie qu'il varie dans différentes directions. Plus précisement, une goutte d'eau placée sur un moule vierge avec des rainures parallèles se répandra dans la direction des rainures plus que dans la direction perpendiculaire aux rainures. Cependant, les chercheurs ont remarqué que, comme le moule s'use avec une utilisation répétée, l'angle de contact change différemment dans chaque direction. Le professeur Jun Taniguchi de l'Université des sciences de Tokyo explique :« Au fur et à mesure que le nombre d'utilisations du moule augmente, l'angle de contact le long de la direction parallèle aux rainures diminue linéairement. En revanche, l'angle de contact le long de la direction perpendiculaire diminue beaucoup plus rapidement dans un premier temps et reste ensuite à une valeur minimale constante. Nous avons constaté que les moules avaient tendance à devenir défectueux presque exactement lorsque le nombre de répétitions rendait les angles de contact dans les deux sens égaux. »
Les chercheurs ont vérifié leur méthode en utilisant des moules avec différentes largeurs de rainures, et les résultats ont été retardés (voir la figure ci-jointe). Cela signifie que l'on peut faire des prédictions précises sur la durée de vie restante d'un moule avec des rainures parallèles grâce à un processus simple. D'abord, vérifier que l'angle de contact dans la direction perpendiculaire a atteint une valeur minimale stable. Puis, calculer la fonction de ligne décroissante avec les valeurs stockées pour l'angle de contact le long de la direction parallèle. Finalement, calculer le nombre d'utilisations après lequel cette ligne croisera la valeur minimale ; le moule se brisera très probablement autour de ce nombre.
Cette approche simple sera utile pour déterminer la durée de vie attendue des moules pour UV-NIL. "Bien que notre méthode ne s'applique qu'aux moules à rainures parallèles, il peut être utilisé pour évaluer la durabilité des matériaux de moulage eux-mêmes ; la durée de vie prévue d'un matériau de moule s'applique à pratiquement n'importe quelle forme, " remarque M. Shin Hiwasa d'Autex Inc. Dans l'ensemble, cette étude comble une lacune importante dans les connaissances en UV-NIL, réduire ses coûts associés en fournissant un moyen facile de prédire quand les moules vont s'user.
La stratégie proposée rendra, espérons-le, cette technique de nanoimpression plus accessible et fiable, favoriser son adoption tant dans la recherche que dans les applications à la vie quotidienne.
