דפוסים באמצעות מעברי Saturable אופטיים - ייצור ואפיון
11 בדצמבר 2014
אנו מדווחים כי ניתן להתגבר על מגבלת העקיפה של ליתוגרפיה אופטית קונבנציונלית על ידי ניצול המעברים של נגזרות פוטוכרומיות אורגניות הנגרמות על ידי הפוטואיזומריזציה שלהן בעוצמות אור נמוכות. 1-3 מאמר זה מתאר את טכניקת הייצור שלנו ושני מנגנוני נעילה, כלומר: פירוק של פוטואיזומר אחד וחמצון אלקטרוכימי.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לייצר ננו-מבנים תת-אורכי גל באמצעות טכניקה ליטוגרפית אופטית חדשה של פוטון יחיד. זה מושג על ידי מריחת שכבה של מולקולה פוטוכרומית על מצע סיליקון. כשלב שני, הדגימה מוקרנת באור אולטרה סגול באורך גל קצר, הממיר את איזומרי הטבעת הפתוחה לאיזומרים טבעתיים סגורים.
לאחר מכן, הדגימה מוארת בגל עומד כדי להמיר את המולקולות בחזרה לצורת הטבעת הפתוחה, למעט בסביבה הקרובה של הצמתים. על ידי רוויה אופטית של מעבר זה, המולקולות באיזומר הטבעת הסגורה נשארות באזור קטן בהרבה מגבול עקיפה של השדה הרחוק. לבסוף, הדגימה ממוקמת בממס קוטבי שבו איזומר הטבעת הסגורה מתמוסס בקצב מהיר יותר מאיזומר הטבעת הפתוחה המשאיר אחריו תוצאות טופוגרפיה בקנה מידה ננומטרי, המראות כי דפוס באמצעות מעברים אופטיים הניתנים לרוויה הוא טכניקת דפוס ננו אופטית חלופית להשגת תכונות תת-אורכי גל.
היתרונות העיקריים של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כמו סריקת ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים הם שדפוס באמצעות מעברים אופטיים יכול להיות מהיר יותר בסדרי גודל, לספק דפוס מדויק יותר ולהיות פשוט וזול יותר ליישום. מי שידגים את ההליך יהיה קאנטו היקר, סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלי. פרוטוקול זה דורש שכל השלבים יבוצעו בחדר נקי מסוג 100 ומעלה.
כדי להכין את הדגימה לנעילת המסה, התחל עם פרוסת סיליקון בגודל 2 אינץ' שנוקה בתמיסת תחריט תחמוצת חוצצת ויובשה בחנקן יבש עם רקיק ביד, המשך לשלב האידוי התרמי. מעבדה זו משתמשת במאייד מותאם אישית בטמפרטורה נמוכה, טוענת את הוופל לתוך מחזיק דגימת המאייד, ולאחר מכן מרכיבה את המחזיק על המאייד. עבור פרוטוקול זה, סירת תחמוצת אלומיניום מולאה ב-30 מיליגרם של BTE.
טען את הסירה הזו למקור. ובכן של המאייד, המשך על ידי איטום יציאות התא ושאיבת התא ללחץ בסיס של 10 לשש השלילי. לאחר מכן Tor מאדה את ה-BTE בטמפרטורה מוגדרת של 100 מעלות צלזיוס בעובי סרט של כ-30 ננומטר.
מיד לאחר השלמת תהליך האידוי וניתן לפתוח את המערכת, שחרר את הדגימה. לאחר מכן קח אותו להעמיס אותו לתא כפפות עם סביבת חנקן ומנורת UV. כאן הדגימה נטענה לתא הכפפות.
בתא הכפפות. יש למקם את הדגימה מתחת לאור ה-UV לשיטפון תאורת שיטפון. האירו את הדגימה ב-UV למשך חמש דקות כדי להפוך את BTE לצורה הסגורה.
לאחר תאורת ה-UV, קח חלק מהדגימה לאפיון. עשה זאת על ידי שימוש בסופר יהלום להגדרת אזור קטן על ידי גירוד קו מקצה משטח הסיליקון. לאחר מכן תפוס את הוופל משני צידי הקו וכופף אותו כלפי מטה עד שהוא נשבר לאורך מישור הקריסטל.
החלק הקטן יותר ישמש לאפיון לאחר הוצאתו מתא הכפפות. קח את פיסת הדגימה הקטנה לפרופילומטר כדי לאמת את עובי סרט ה-BTE. כדי לבצע את המדידה השתמש בפינצטה עדינה כדי ליצור שריטה במשטח הוופל על הדגימה.
לאחר מכן מדוד את גובה המדרגה משריטה זו. לאחר מדידת עובי סרט BTE, חזור לדגימה בתא הכפפות כדי להכין אותה לחשיפה. עבודה באווירה האינרטית של תא הכפפות.
השתמש בסופר יהלומים כדי לבקע את הוופל ולנתק חתיכה לחשיפה. במקרה זה, היצירה היא בערך סנטימטר רבוע אחד. הניחו את היצירה הגדולה יותר בצד וקבלו מחזיק דגימה לאווירה אינרטית.
טען את דגימת החשיפה במחזיק המדגם. התכוננו להסיר את מחזיק הדגימה מתא הכפפות. כשהוא מוכן, הסר את מחזיק הדגימה מתא הכפפות על מנת לקחת אותו לאינטרפרומטר.
בתושבת האינטרפרומטר, מחזיק דגימת האטמוספירה האינרטית על שלב הדגימה. לאחר שהוא במקומו, חבר קו חנקן למחזיק הדגימה. פתח את היציאה במחזיק המדגם כדי לטהר את הדגימה בחנקן.
לאחר מכן סגור את היציאה. שמירה על קו החנקן במקומו. השתמש באינטרפרומטר כדי לחשוף את הדגימה לחשיפה הרצויה.
זמן לאחר החשיפה עם האינטרפרומטר, הסר את האטמוספירה האינרטית, מחזיק הדגימה והדגימה שלו. העבירו אותם בחזרה לתא הכפפות והניחו אותם בפנים. עם הדגימה בתא הכפפות, קבלו זכוכית נקייה המכילה 100 מיליליטר אתילן גליקול.
הסר את הדגימה החשופה מהמחזיק והנח אותה בכוס למשך זמן הפיתוח הרצוי. לאחר שחלף זמן הפיתוח, הסר את הדגימה מהביג. הוא יתייבש במהירות באווירת החנקן.
לאחר מכן, בהקדם האפשרי, הרכיב את הדגימה להארה באור UV וחשוף אותה למשך חמש דקות. זוהי תרשים של עובי השכבות המולקולריות לעומת זמן ההתפתחות של שתי הצורות של מולקולות BTE. הנתונים עבור הטופס הפתוח מחוברים בקו כחול.
הנתונים עבור הטופס הסגור מחוברים באמצעות קו אדום. התרשים מדגים את המסיסות הגבוהה יותר של מולקולת הצורה הסגורה בממיסים קוטביים. כדי לאסוף נתונים אלה, מחצית מהדגימה הומרה לטופס סגור והמחצית השנייה לטופס פתוח.
הדגימה פותחה באתילן גליקול למספר תקופות התפתחות שונות, ולאחר מכן נמדד עובי השכבה הנותרת באמצעות פרופילומטר. להלן תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקות של דגימות דפוס מחשיפות פיתוח בודדות שבוצעו באטמוספירה האינרטית מחזיק דגימה. גדלי התכונות הם 196 ננומטר, 160 ננומטר ו-85 ננומטר.
האחרון מתאים לרוחב קו של למבדה בקירוב. מעל 7.4. נתונים ממספר חשיפות מוצגים עם צלבים בתרשים של רוחב הקו לעומת זמן החשיפה.
לשם השוואה, העקומה הכחולה מייצגת חיזוי של מודל פשוט, בהנחה של תאורה סינוסואידית עם תקופה של 457 ננומטר, ושימוש בסף החשיפה כפרמטר המתאים היחיד. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד ליישם דפוס סופר רזולוציה באמצעות מעברים אופטיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה מציג טכניקה חדשנית של ליתוגרפיה אופטית של פוטון בודד ליצירת ננו-מבנים קטנים מאורך הגל. באמצעות שימוש במולקולות פוטוכרומיות ובאיזומריזציה שלהן, הטכניקה עוקפת את מגבלת הדיפרקציה של ליתוגרפיה אופטית קונבנציונלית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ליתוגרפיה אופטית
- ייצור ננו-מבנים
- חומרים פוטו-כרומיים
רקע
- ליתוגרפיה אופטית קונבנציונלית מוגבלת על ידי עקיפה.
- מולקולות פוטוכרומיות יכולות לעבור בין איזומרים תחת חשיפה לאור.
- מאפיינים בסדר גודל של תת-אורך גל רצויים עבור יישומים מתקדמים.
- דרושות טכניקות חדשות כדי להשיג מאפיינים אלו באופן יעיל.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה ליצירת טופוגרפיות בקנה מידה ננומטרי.
- הדגמת היעילות של מעברים אופטיים רוויים (saturable transitions).
- מתן חלופה לטכניקות קיימות של דפוס ננו אופטי.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יישום של מולקולות פוטו-כרומיות על מצעי סיליקון.
- הקרנה באור על-סגול בעל אורך גל קצר להשראת איזומריזציה.
- שימוש בגלי עמידה לשליטה במעברים מולקולריים.
- המסה של איזומרים בממס פולרי לחשוף תבניות בננו-קנה מידה.
תוצאות עיקריות
- ייצור מוצלח של ננו-מבנים מתחת לאורך הגל.
- הדגמה של תבנית באמצעות מעברים אופטיים רווים.
- התוצאות מעידות על הפחתה משמעותית בגודל התכונות בהשוואה לשיטות מסורתיות.
- פוטנציאל ליישומים רחבים יותר בננו-טכנולוגיה.
מסקנות
- הטכניקה המוצעת מתגברת ביעילות על גבול הדיפרקציה.
- ניתן לשפר ליתוגרפיה אופטית באמצעות נגזרות פוטוכרומיות.
- שיטה זו פותחת נתיבים חדשים לייצור בקנה מידה ננומטרי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
דפוס באמצעות מעברים אופטיים רווים (POST) מאפשר ייצור של מאפיינים בסב-אורך גל באמצעות תגובות פוטון יחיד במולקולות פוטוכרומיות, ומציע חלופה בעוצמה נמוכה ובספיקת ייצור גבוהה לליתוגרפיה אופטית קונבנציונלית. גישה זו פותרת את מחסום גבול הדיפרקציה בדפוס ננו-סקאלי, ותומכת באבטייפ מהיר של ננו-מבנים למחקרי חומרים מתקדמים. על ידי ניצול איזומריזציה מולקולרית והמסה סלקטיבית, POST מספק נתיב יעיל מבחינה כלכלית ליצירת טופוגרפיות מדויקות על פני שטחים גדולים, הרלוונטיים לתהליכי גילוי בשלבים מוקדמים הדורשים שינויים ניתנים לשחזור של פני השטח בננו-סקאלה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר דפוס פני שטח מדויק לבחינת אינטראקציות ליגנד-רספטור ברזולוציה ננומטרית.
- ערך תפעולי: תומך ביצירת רמזים טופוגרפיים מוגדרים לחקר היצמדות תאית ומסלולי העברה מכנית (mechanotransduction).
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- ערך מדעי: מקל על ייצור תבניות ננו-הדפסה (nanoimprint) עבור מערכי חיישנים ביולוגיים ברזולוציה גבוהה.
- ערך תפעולי: מספק משטחים בעלי מבנה ננומטרי הניתנים לשחזור עבור אימוביליזציה סטנדרטית של ביו-מולקולות בפורמטים של בדיקות (assays).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר יצירה של תסבכים ביומימטיים עם גדלי מאפיינים מבוקרים לצורך מידול של טופוגרפיית המטריצה החוץ-תאית.
- ערך תפעולי: מאפשר הערכה של אינטראקציות בין ננו-חומרים לרקמות במודלים פרה-קליניים באמצעות דפוסים מוגדרים בקנה מידה ננומטרי.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד (Pipeline)
שיטת ה-POST משתלבת ברצף הגילוי על ידי כך שהיא מאפשרת הנדסת פני שטח לצורך תיקוף מטרות, הכנת מערכי בדיקה ופיתוח מודלים פרה-קליניים באמצעות יצירת ננו-טופוגרפיה מבוקרת.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות בנוגע לארגון מרחבי בקנה מידה ננומטרי של קומפלקסים של אותות.
- סריקה: מספקת מצעים מוכנים לבדיקה עם גדלי מאפיינים אחידים לצורך לכידה וזיהוי מולקולריים מהימנים.
- אנליטיקה: מייצרת פלטים טופוגרפיים כמותיים (גודל מאפיין, עומק) המתאימים לתגובות ביולוגיות תפקודיות.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין משטחים בעלי מבנה ננומטרי להערכה פרה-קלינית של אינטראקציות בין חומרים לתאים.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצגת יכולת ננו-פבריקציה ניתנת להרחבה לשימוש חוזר במספר קמפיינים של תיקוף מטרות וסריקה.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית במחקרי מבנה-תפקוד על ידי מתן שליטה מדויקת במאפייני השטח.
- ערך תפעולי: מציע סטנדרטיזציה ויכולת שחזור ביצירת ננו-מבנים במעבדות ובפרויקטים שונים.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות המשך (go/no-go) בשלבי גילוי מוקדמים על ידי אספקת מודלים חיזויים של השטח למעורבות מטרה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם סיכון של ביו-חומרים ומבנים בעלי שטח שעבר שינוי, בהתבסס על נתוני ביצועים בקנה מידה ננומטרי.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בכימיה פוטוכרומית ובטכניקות של ליתוגרפיה אופטית.
- תלוי בגישה לכלי אינטרפרומטריה ולסביבות חדר נקי לשם בקרה מדויקת של התבנית.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולי חשיפה ל-UV ופיתוח בין הצוותים.
- כולל שיקולי התאמה בעת העברת הטכניקה לחומרי מצע שונים מעבר לסיליקון.
- מוגבל על ידי ניגוד המסיסות בין איזומרים בעלי טבעת פתוחה לסגורה בממסים פולריים נבחרים.
שאלות נפוצות בתחום הביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:46
Preparation for Dissolution Locking and Thermal Evaporation of Photochromic Molecules
4:20
Exposures
5:35
Sample Development for Dissolution Locking
6:24
Results: Samples Fabricated Using Patterning via Optical Saturable Transitions (POST)
7:56
Conclusion
