شکستن اندازه ها تا ابعاد نانومتری

(قسمت ششم)

قسمت قبل

با گسترش میکروسکوپ های پروب روبشی با دقت و وضوح تصویر فضایی بسیار بالا، برای آنالیز و تصویربرداری سطحی در ابعاد 1 نانومتر و کمتر، ایده دستکاری و جابجایی اتم ها با استفاده از این امکانات نیز مطرح و بررسی گردید. امروزه در زمینه  نانولیتوگرافی از میکروسکوپ های پروب روبشی نظیر (AFM=Atomic Force Microscopy) و ( STM=Scanning Tunneling Microscopy)  برای ایجاد خراش و کندن اتم های سطحی در مناطق خاص، حکاکی و یا جابجایی برخی اتم های موضعی با اتم های مورد نظر، همزمان با تصویربرداری از سطح، استفاده می شود، که تحت عنوان لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography)  شناخته می شوند.

ابزارهای پروب روبشی خیلی ساده به محققان اجازه می دهند که دنیای اتمی را مشاهده کنند. آن ها برای ایجاد ساختارهای نانومتری نیز استفاده می شوند. تیغه AFM می تواند نانوذرات را روی سطح تغییر داده و آن ها را به نظم مشخصی در بیاورد. این تیغه می تواند روی سطح یا فیلم های تک لایه از اتم ها یا مولکول هایی که سطح را پوشش داده اند خراش ایجاد کند. به طور مشابه، اگر محققان جریان جاری از تیغه STM را افزایش دهند، میکروسکوپ منبع بسیار کوچکی برای یک پرتو الکترونی می شود که می تواند برای نگارش طرح های نانومتری استفاده شود. تیغه STM می تواند یک اتم منفرد را روی سطح به اطراف جا به جا کند و حلقه ها یا سیم هایی با ضخامت تنها یک اتم بسازد.

دستیابی به وضوح تصویر بالا اساس دستکاری مولکولی و نانولیتوگرافی بر اساس SPM می باشد. اصولاً با افزایش برهم کنش های موضعی همچون نیروی اتمی، دانسیته الکترون های تونل زنی و یا استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی فراهم می شود که جزئیات روش در کنترل این برهم کنش های موضعی، اساس دستیابی به طرح های شارپ با دقت فضایی بالا می باشد.

درواقع می توان گفت، میکروسکوپ های پروب روبشی همچون STM و AFM ابزار بسیار مناسبی برای دستکاری و لیتوگرافی در مقیاس نانو می باشند. با استفاده از کنترل جریان تونل زنی و فاصله جدایش سوزن و نمونه در STM، می توان پیوندهای سطحی را به صورت موضعی ضعیف یا حذف نموده و طرح مورد نظر را بر روی ماده مقاوم ایجاد نمود. در مورد AFM، با تغییر نیروی سوزن و محیط روبش، می توان حالت های مختلفی را ایجاد نمود که بر طبق آن طرح های متفاوتی نیز قابل دستیابی است. از جمله آنها می  توان به خراش هایی در ابعاد نانو، جابجایی مولکول های سطحی با مولکول های مورد نظر و نگاشتن بر روی سطح اشاره نمود.

از مزایای این روش ها می توان به وضوح تصویر بسیار بالای طرح های تولیدی، امکان ایجاد طرح های دو بعدی و سه بعدی با دقت ابعادی بسیار بالا، امکان بررسی و آنالیز سطح همزمان با فرآیند تولید و امکان تولید ساختارهای پیچیده با ترکیبات متفاوت اشاره کرد.

روش لیتوگرافی قلمی

لیتوگرافی بر پایه AFM در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش ساخت لیتو گرافی قلمی نام گرفته است. این روش توسط چاد میرکین ایجاد شده  است. این روش مثل نوشتن با قلمی از پر قو است.  روش لیتوگرافی قلمی از یک نوک هرمی شکل در تیغه میکروسکوپ نیروی اتمی بهره می گیرد که با فیلم نازکی از مولکول های تیول پوشش داده شده است. یک قطره کم از آب بین نوک تیغه و یک صفحه طلا متراکم می شود.تیول ها از نوک قلم به سطح جابه جا می شود. در نهایت روی سطح تک لایه خود سامانی شکل می گیرد.

در واقع نوک AFM با فیلم نازکی از مولکول های تیول (همان ترکیبی که برای چاپ میکروتماسی استفاده می شود) که در آب حل نمی شوند، اما با سطح طلا واکنش می دهند پوشانده می شود. وقتی که ابزار در فضایی با جوی با غلظت بالای بخار آب قرار گرفت، قطره کوچکی از آب بین سطح طلا و تیغه میکروسکوپ ایجاد می شود. کشش سطحی تیغه را به فاصله مشخصی از طلا هل می دهد و این فاصله زمانی که تیغه در حال عبور از روی سطح است تغییر نمی کند. قطره آب مثل پلی عمل می کند که مولکول های تیول را از تیغه به سطح طلا، جایی که مولکول ها اتصال ثابت پیدا می کنند انتقال می دهد.

محققان این روش را برای نگارش نوشته هایی با ابعاد نانومتری استفاده کرده اند. اگر چه روش لیتوگرافی قلمی نسبتاً کند است، اما می تواند انواع متفاوتی از مواد شیمیایی را به عنوان جوهر استفاده کرده و انعطاف شیمیایی بالایی برای نگارش در ابعاد نانومتری داشته باشد. محققان هنوز بهترین استفاده از این روش را تعیین نکرده اند، اما یکی از ایده ها این است که از روش قلمی برای اصلاح دقیق طراحی های مدار استفاده شود. میرکین نشان داد که انواع جوهرهایی که در لیتوگرافی قلمی استفاده می شود مستقیماً قابل نگارش روی سیلیکون نیز هستند.

روش AFM مزایایی دارد که می توان اینگونه بیان نمود: اول اینکه روشی است که تحت شرایط محیطی قابل انجام است و به تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد. دوم اینکه لیتوگرافی AFM به عنوان یکی از روش های ساخت نانوساختارها، قادر به تولید قطعاتی با ابعاد 10 نانومتر و کمتر می باشد. سوم اینکه AFM می تواند تصاویری با وضوح تصویر بالا و به صورت فضای واقعی با دقت هم ترازی نانومتری برای سطوح خارجی تولید کند. در طی سال ها به صورت تجربی ثابت شده که با استفاده از آرایه ای از سوزن های جستجوگر موازی می توان سرعت و بازده را نیز بهبود بخشید.

 مریم نایب زاده

بخش دانش و زندگی تبیان

منبع: edu.nano،  nanoscience،azonano-nano

کتاب آشنایی با فناوری نانو (کاربردها) 2 ، سلیمی، طاهری، احمدوند