Nanomoulding של חומרים תפקודיים, שיטה תכליתית משלימת תבנית שכפולה לnanoimprinting

המטרה הכוללת של הליך זה היא להעביר דפוס ממבנה אב שרירותי לחומר פונקציונלי. סרטון זה ממחיש את ההליך באמצעות תחמוצת אבץ כהעברת דפוס חומר פונקציונלי מתבצעת על ידי ייצור תחילה של תבנית שלילית ממבנה האב. השלב השני הוא יצירת העתק תחמוצת האבץ על ידי הוספת שכבת מקל אנטיס על התבנית, ולאחר מכן שקיעת תחמוצת אבץ, לאחר מכן מעגנים את תחמוצת האבץ למצע הזכוכית הסופי באמצעות שרף מרפא UV ולבסוף משתחררים מהתבנית שלו.

בסופו של דבר, ניתן להכין העתקים פונקציונליים מרובים מתבנית מאסטר אחת בטכניקה זו בעוד שהדפסה אחרת משמשת באופן מסורתי לדפוס UV או שרף הניתן לריפוי תרמי. יציקת ננו מציעה את הפוטנציאל להכליל לחומרים פונקציונליים רבים אחרים, ערימות חומרים ואפילו מכשירים שלמים, בתנאי שחומר התבנית נבחר תואם לתהליך שקיעת החומר. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר ניסינו למצוא דרך להשיג אלקטרודה מוטבעת ננו מוליכה שקופה כפי ששרפים להדפסת ננו זמינים מסחרית מבודדים.

היינו צריכים למצוא דרך אחרת וזו הסיבה שפיתחנו יציקת ננו. בדרך כלל, אנשים הכירו את השיטה הזו במאבק מכיוון שיש להתאים את תכונות האניונים בזהירות התחל על ידי הכנת מאסטר הנושא את התבנית הננומטרית להעברה. מוצג כאן שלושה מבני אב טרומיים.

משמאל נייר כסף עם סורג קו המיוצר באמצעות ליתוגרפיה של הפרעות. באמצע לוחית אלומיניום בעלת מרקם המיוצרת באמצעות חמצון אנודי וחריטה לאחר מכן משכבת תחמוצת האלומיניום. ומימין שכבת תחמוצת אבץ בעלת מרקם על זכוכית שגדלה על ידי שקיעת אדים כימית.

דגימת תחמוצת האבץ תשמש בהדגמה זו כהכנה לשכבת האנטי-איאן. ראשית מצפים את המאסטר בעל המרקם בשכבת כתמים של כרום, בעובי של חמישה עד 10 ננומטר כדי לקדם את ההידבקות של החומר האנטי-איאן. לאחר מכן, מרחו טיפה קטנה של חומר אנטי איאן על מגלשת זכוכית.

העבירו את מגלשת הזכוכית יחד עם המאסטר לתא ואקום ושאבו כלפי מטה. ואקום קל מספיק כדי שחומר האנטי איאן יתאדה וישפקד על המאסטר. לאחר מכן הוציאו את המאסטר מתא הוואקום והכניסו לתנור בחום של 80 מעלות צלזיוס למשך שעה עד שעתיים לציפוי האנטי איאן לאניל.

ההיבט הקשה ביותר בהליך זה הוא התאמת מאפייני שכבת האנטי איאן כדי למנוע שפיכה ספונטנית תוך הבטחת קילוף בקרה נשאר אפשרי. על מנת להשיג זאת, המאפיינים של שכבת האנטי מהדורה מותאמים באופן אמפירי. לאחר מכן, הכינו את התבנית על ידי ניקוי נפט פוליאתילן, אלאט או יריעת עט באמבט אצטון קולי למשך שתי דקות, ולאחר מכן אמבט איזופרופנול קולי.

למשך שתי דקות נוספות, הוציאו את הסדין מהאמבטיה ושטפו פעם נוספת עם איזופרופנול טרי לפני הייבוש בחנקן. לאחר מכן הניחו את גיליון העט לתוך קופסת הספוטר ומרחו שכבת כרום איאן של 5 עד 10 ננומטר על יריעת העט. לאחר מכן, העבירו את גיליון העט לתוך קופסת הסיבוב והוסיפו מיליליטר עד שניים של מוסה, שרף הניתן לריפוי UV על מעיל הסיבוב של גיליון העט ב-5,000 סל"ד.

כדי לקבל כיסוי אחיד, אופים מראש את דף העט המצופה הטרי על צלחת חמה בחום של 80 מעלות צלזיוס למשך חמש דקות. כדי לאדות את הממס, שפר את אחידות הסרט ושפר את תוספת השרף ליריעת העט. לאחר מכן הנח את גיליון העט בתוך מדפיס הננו כשהשרף הניתן לריפוי UV פונה כלפי מעלה והמאסטר הפוך על זרועות המחזיק.

החזר את המכסה של מערך הטבעת הננו למקומו ופנה את תא הוואקום על ידי הפעלת המשאבה. משוך לאחור את זרועות המחזיק כדי להפיל את המאסטר על השרף הניתן לריפוי UV. על יריעת העט, הפעל לחץ על קרום הסיליקון הגמיש החוצה את תא הוואקום על ידי אוורור התא העליון תוך שמירה על הוואקום בתא התחתון.

זה דוחף את הממברנה הגמישה לכיוון תחתית ההתקנה, ומספק את לחץ ההטבעה תוך שמירה על הלחץ על הממברנה. חשוף את השרף הניתן לריפוי UV דרך צד גיליון העט לאור LED UV למשך 15 עד 20 דקות כדי לעורר את תגובת הקישור הצולבת. לאחר מכן, אוורור את החלק התחתון של תא הוואקום כדי לשחרר את הלחץ על קרום הסיליקון ולהסיר את הדגימה.

אחזו בזהירות בתבנית וקילפו אותה לאט לאט ממבנה המאסטר. לאחר מכן מכניסים את התבנית לתנור ואופים אותה ב-150 מעלות צלזיוס למשך שלוש עד חמש שעות כדי לשפר את היציבות התרמית של השרף. לבסוף, לאחר מריחת שכבת אניונים על התבנית כפי שהוצג קודם לכן, הדגימה מוכנה לתצהיר תחמוצת אבץ כדי להתחיל בתצהיר אדים כימי של תחמוצת אבץ.

ראשית הניחו את תבנית העט המוכנה על שקופית זכוכית. הנח את מסגרת המתכת על גבי התבנית כדי למנוע כיפוף במהלך שקיעת האדים הכימית. לאחר מכן, הנח את התבנית על הפלטה החמה של כור שקיעת האדים הכימי המוחזק ב-155 מעלות צלזיוס בזמן שהתבנית מתחממת.

סגור את משאבת הכור מתחת ל-10 למינוס שלושה מיליבר ואפשר תרמיזציה. לאחר מכן הכניסו את הגזים המקדימים של מים ואבץ אתאל יחד עם כמות קטנה של די בוראן מדולל בארגון לסמים למשך 10 דקות. בלחץ תהליך של 0.4 מיליבר יוצר שכבת תחמוצת אבץ בעובי של שני מיקרון.

לאחר התצהיר, הסר את התבנית בזהירות כדי למנוע כיפוף יתר של השכבה החדשה שהופקדה, מה שעלול לגרום לקילוף ספונטני. כדי להתחיל בהעברת שכבות, הכינו תחילה שקופיות זכוכית לציפוי ספין על ידי שטיפתן באצטון ואחריו איזופרופנול. ואז יבש את השקופיות בזרם חנקן.

שכבת הסיבוב הבאה, מיליליטר עד שניים של שרף הניתן לריפוי UV על מגלשת הזכוכית ב-5,000 סל"ד, מעגנים את התבנית הנושאת את השכבות המופקדות על המצע הסופי באמצעות מדפיס הננו כפי שהוצג בעבר במהלך ייצור התבנית. עם זאת, במקום המאסטר, התבנית מוכנסת לזרועות המחזיק ומורידה על מצע הזכוכית המצופה שרף לפני שהיא נרפאה באור UV. לבסוף, השלם את ההעברה על ידי קילוף ידני של התבנית ממגלשת הזכוכית הנושאת את שכבת תחמוצת האבץ המועברת.

יציקת ננו משחזרת תכונות בקנה מידה ננומטרי כגון מרקם הפירמידה של שכבת תחמוצת האבץ המוצגת כאן בתמונת מיקרוסקופ האלקטרונים הסורק משמאל. התמונה הימנית מציגה את מיקרוסקופ הכוח האטומי של העתק ננו או FM משמש להדמיית המשטח המוצג כאן בעוצמות משתנות של כתום המייצג את גובה פני השטח. מידע זה משמש למדידת הבדלי הגובה והזווית בין התבנית המוצגת בשחור לבין ההעתק באדום.

עבור שכבת תחמוצת האבץ, הייתה שונות מועטה מאוד בין התבנית להעתק, מה שמדגים את הנאמנות הגבוהה של תהליך יציקת הננו. הקווים הבודדים של הסורג המיוצרים על ידי ליתוגרפיה של הפרעות המוצגות משמאל מיוצרים היטב גם בהעתק המוצג מימין. ההיסטוגרמות בזווית מוגבהת התואמות לתבנית זו מציגות גם הן צורה דומה מאוד.

עם זאת, יש תזוזה קלה לכיוון זוויות נמוכות יותר בהעתק המוצג באדום מימין למטה משמאל הם המאפיינים הייחודיים של מערך גומות המתקבלות על ידי חמצון אנטי של אלומיניום וההעתק התואם מימין. החלקה קלה של התכונות נמצאת בעת שימוש בדפוס זה. זה מוצג על ידי תזוזה קלה לכיוון זוויות נמוכות יותר עבור ההעתק בהיסטוגרמה הזווית המוצגת בפינה הימנית התחתונה.

מאסטר של יציקת אנום יכול להיעשות תוך מספר שעות אם מבוצע כראוי. אז יציקת ננו סללה את הדרך לחוקרים בתחום הפוטו-וולטאים לחקור מבנים ננו-פוטוניים חדשים בתאים סולאריים. בעקבות הליכים אלה, ניתן לרשום פטנט על חומרים פונקציונליים אחרים, הפותחים את הדלת למגוון רחב של יישומים.

אל תשכח שעבודה עם כימיקלים, גזים, UV, מקורות קרינה וציוד ואקום עלולה להיות מסוכנת ויש ללבוש אמצעי זהירות כגון ציוד מגן אישי מתאים בכל עת, ויש לוודא התקנה נכונה של הציוד לפני ביצוע הליך זה.