Modelowanie za pomocą przejść nasycalnych optycznych - produkcja i charakterystyka
11 grudnia 2014
Informujemy, że limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej może zostać pokonany poprzez wykorzystanie przejść organicznych pochodnych fotochromowych wywołanych przez ich fotoizomeryzację przy niskim natężeniu światła. 1-3 W tym artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwa mechanizmy blokujące, a mianowicie: rozpuszczenie jednego fotoizomeru i utlenianie elektrochemiczne.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest wytworzenie nanostruktur o długości poniżej długości fali przy użyciu nowatorskiej techniki litografii optycznej pojedynczych fotonów. Osiąga się to poprzez nałożenie najpierw warstwy cząsteczki fotochromowej na podłoże krzemowe. W drugim etapie próbka jest naświetlana światłem ultrafioletowym o krótkiej długości fali, które przekształca izomery z otwartym pierścieniem w izomery z zamkniętym pierścieniem.
Następnie próbka jest oświetlana falą stojącą w celu przekształcenia cząsteczek z powrotem do formy otwartego pierścienia, z wyjątkiem bliskiego sąsiedztwa węzłów. Poprzez optyczne nasycenie tego przejścia, cząsteczki w izomerze z zamkniętym pierścieniem pozostają w obszarze, który jest znacznie mniejszy niż granica dyfrakcji dalekiego pola. Na koniec próbkę umieszcza się w rozpuszczalniku polarnym, w którym izomer z zamkniętym pierścieniem rozpuszcza się w szybszym tempie niż izomer z otwartym pierścieniem, pozostawiając wyniki topografii w nanoskali, które pokazują, że wzorowanie za pomocą optycznych przejść nasyconych jest alternatywną techniką optycznego nanowzorca w celu uzyskania cech poniżej długości fali.
Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak litografia ze skaningową wiązką elektronów, jest to, że tworzenie wzorów za pomocą przejść optycznych może być o rzędy wielkości szybsze, zapewnia bardziej precyzyjne wzorce oraz jest prostsze i tańsze w wdrożeniu. Procedurę zademonstruje cenny Cantu, doktorant z mojego laboratorium. Protokół ten wymaga, aby wszystkie kroki były wykonywane w pomieszczeniu czystym klasy 100 lub lepszej.
Aby przygotować próbkę do zamknięcia rozpuszczenia, należy rozpocząć od dwucalowej płytki krzemowej, która została oczyszczona buforowanym roztworem wytrawiania tlenkowego i wysuszona suchym azotem z płytką w ręku, a następnie przejść do etapu odparowywania termicznego. To laboratorium wykorzystuje niestandardowy parownik niskotemperaturowy, załaduj wafel do uchwytu próbki parownika, a następnie zamontuj uchwyt na parowniku. Na potrzeby tego protokołu łódź z tlenkiem glinu została wypełniona 30 miligramami BTE.
Załaduj tę łódź do źródła. Studnię parownika należy przestąpić poprzez uszczelnienie portów komory i przepompowanie komory do ciśnienia podstawowego od 10 do ujemnych sześciu. Następnie Tor odparowuje BTE w ustawionej temperaturze 100 stopni Celsjusza przy grubości warstwy około 30 nanometrów.
Natychmiast po zakończeniu procesu odparowywania i otwarciu systemu należy zdemontować próbkę. Następnie zabierz go do załadowania do schowka na rękawiczki ze środowiskiem azotowym i lampą UV. W tym przypadku próbka została załadowana do schowka na rękawiczki.
W schowku na rękawiczki. Próbkę należy umieścić pod światłem UV w celu zalania oświetleniem powodziowym. Oświetlać próbkę promieniowaniem UV przez pięć minut, aby przekształcić aparat zauszny do formy zamkniętej.
Po naświetleniu UV pobrać część próbki w celu scharakteryzowania. Zrób to, używając rysika diamentowego, aby zdefiniować mały obszar, rysując linię od krawędzi powierzchni krzemu. Następnie chwyć wafel po obu stronach linii i zegnij go w dół, aż pęknie wzdłuż płaszczyzny kryształu.
Mniejsza część zostanie wykorzystana do charakteryzacji po wyjęciu jej ze schowka na rękawiczki. Pobrać mały kawałek próbki do profilometru w celu sprawdzenia grubości warstwy zausznej aparatu przedstawnego. Aby dokonać pomiaru, użyj pęsety o cienkich krawędziach, aby zarysować powierzchnię płytki na próbce.
Następnie zmierz wysokość stopnia od tego zadrapania. Po zmierzeniu grubości filmu zausznego wróć do próbki w komorze rękawicowej, aby przygotować ją do naświetlenia. Praca w obojętnej atmosferze komory rękawicowej.
Użyj rysika diamentowego, aby rozciąć wafel i odłamać kawałek w celu naświetlenia. W tym przypadku kawałek ma około jednego centymetra kwadratowego. Odłóż większy kawałek i zdobądź uchwyt na próbkę w atmosferze obojętnej.
Załadować próbkę ekspozycyjną do uchwytu na próbkę. Przygotować się do wyjęcia uchwytu na próbkę ze schowka na rękawiczki. Gdy będzie gotowy, wyjmij uchwyt na próbkę ze schowka na rękawiczki w celu przeniesienia jej do interferometru.
Na mocowaniu interferometru, uchwyt próbki w atmosferze obojętnej na stoliku na próbkę. Po ustawieniu na miejscu podłączyć przewód azotowy do uchwytu próbki. Otwórz port w uchwycie próbki, aby oczyścić próbkę azotem.
Następnie zamknij port. Utrzymywanie linii azotu na miejscu. Użyj interferometru, aby naświetlić próbkę na żądaną ekspozycję.
Czas Po ekspozycji za pomocą interferometru usunąć obojętną atmosferę, uchwyt próbki i jej próbkę. Przetransportuj je z powrotem do schowka na rękawiczki i umieść w środku. Umieść próbkę w schowku na rękawiczki, aby uzyskać czystą szklaną zlewkę zawierającą 100 mililitrów glikolu etylenowego.
Wyjąć odsłoniętą próbkę z uchwytu i umieścić ją w zlewce na żądany czas rozwoju. Po upływie czasu wywoływania wyjąć próbkę z dzioba. Szybko wyschnie w atmosferze azotu.
Następnie, tak szybko, jak to możliwe, zamontuj próbkę w celu oświetlenia światłem UV i naświetl ją na pięć minut. Jest to wykres grubości warstw molekularnych w funkcji czasu rozwoju dla dwóch form cząsteczek zausznych. Dane do formularza otwartego są połączone niebieską linią.
Dane do zamkniętego formularza są połączone czerwoną linią. Wykres pokazuje wyższą rozpuszczalność cząsteczki w formie zamkniętej w rozpuszczalnikach polarnych. Aby zebrać te dane, połowa próbki została przekształcona w formę zamkniętą, a druga połowa w formę otwartą.
Próbkę wywoływano w glikolu etylenowym przez kilka różnych czasów wywoływania, a następnie mierzono grubość pozostałej warstwy za pomocą profilometru. Oto obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej próbek wzorcowych z pojedynczych ekspozycji wywołania przeprowadzonych w atmosferze obojętnej Uchwyt na próbki. Rozmiary funkcji to 196 nanometrów, 160 nanometrów i 85 nanometrów.
Ostatnia odpowiada szerokości linii wynoszącej w przybliżeniu lambda. Ponad 7,4. Dane z kilku ekspozycji są pokazane z krzyżykami na wykresie szerokości linii w funkcji czasu ekspozycji.
Dla porównania, niebieska krzywa reprezentuje przewidywanie prostego modelu, zakładającego padające oświetlenie sinusoidalne o okresie 457 nanometrów i wykorzystującego próg ekspozycji jako jedyny dopasowany parametr. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zaimplementować wzorce w super rozdzielczości za pomocą optycznych przejść.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia nowatorską technikę litografii optycznej pojedynczym fotonem do wytwarzania nanostruktur o rozmiarach mniejszych niż długość fali. Dzięki wykorzystaniu cząsteczek fotochromowych i ich izomeryzacji, technika ta pozwala przełamać limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Litografia optyczna
- Wytwarzanie nanostruktur
- Materiały fotochromowe
Wstęp
- Konwencjonalna litografia optyczna jest ograniczona przez dyfrakcję.
- Cząsteczki fotochromowe mogą przełączać się między izomerami pod wpływem światła.
- Struktury poniżej długości fali są pożądane w zaawansowanych zastosowaniach.
- Konieczne jest opracowanie nowych technik, aby skutecznie uzyskać takie struktury.
Cel badania
- Opracowanie metody tworzenia topografii w nanoskali.
- Wykazanie skuteczności optycznych przejść nasycalnych.
- Zaproponowanie alternatywy dla istniejących technik optycznego nanowzorowania.
Zastosowane metody
- Naniesienie cząsteczek fotochromowych na podłoża krzemowe.
- Naświetlanie krótkofalowym światłem ultrafioletowym w celu wywołania izomeryzacji.
- Wykorzystanie fal stojących do kontrolowania przejść molekularnych.
- Rozpuszczanie izomerów w rozpuszczalniku polarnym w celu ujawnienia wzorów w skali nanometrycznej.
Główne wyniki
- Skuteczne wytworzenie nanostruktur o rozmiarach poniżej długości fali.
- Demonstracja tworzenia wzorów za pomocą optycznych przejść nasycalnych.
- Wyniki wskazują na znaczną redukcję rozmiaru elementów w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
- Potencjał do szerszych zastosowań w nanotechnologii.
Wnioski
- Proponowana technika skutecznie pokonuje limit dyfrakcyjny.
- Litografia optyczna może zostać usprawniona dzięki zastosowaniu pochodnych fotochromowych.
- Metoda ta otwiera nowe możliwości w zakresie wytwarzania struktur w nanoskali.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Wzorcowanie za pomocą nasyconych przejść optycznych (POST) umożliwia wytwarzanie elementów o rozmiarach poniżej długości fali poprzez reakcje jednofotonowe w cząsteczkach fotochromowych, stanowiąc niskointensywną i wysokowydajną alternatywę dla konwencjonalnej litografii optycznej. Podejście to przełamuje barierę limitu dyfrakcyjnego w wzorcowaniu w nanoskali, wspierając szybkie prototypowanie nanostruktur na potrzeby zaawansowanych badań nad materiałami. Wykorzystując izomeryzację cząsteczkową i selektywne rozpuszczanie, metoda POST zapewnia kosztowo efektywną drogę do generowania precyzyjnych topografii na dużych obszarach, co jest istotne w procesach wczesnego etapu odkryć wymagających powtarzalnych modyfikacji powierzchni w nanoskali.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia precyzyjne wzorowanie powierzchni w celu badania oddziaływań ligand-receptor z rozdzielczością nanometryczną.
- Wartość operacyjna: Wspiera tworzenie zdefiniowanych wskazówek topograficznych do badania adhezji komórkowej i szlaków mechanotransdukcji.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Ułatwia wytwarzanie matryc do nanodrukowania w celu tworzenia wysokorozdzielczych macierzy biosensorów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne powierzchnie nanostrukturalne do standaryzowanej immobilizacji biomolekuł w formatach testowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia generowanie substratów biomimetycznych o kontrolowanych rozmiarach elementów w celu modelowania topografii macierzy zewnątrzkomórkowej.
- Wartość operacyjna: Pozwala na ocenę oddziaływań nanomateriałów z tkankami w modelach przedklinicznych z wykorzystaniem zdefiniowanych wzorów w nanoskali.
Integracja potoku i przepływu pracy
POST wpisuje się w kontinuum odkryć, umożliwiając inżynierię powierzchni w celu walidacji celów, przygotowania testów oraz rozwoju modeli przedklinicznych poprzez kontrolowane generowanie nanotopografii.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących nanoskaloowej organizacji przestrzennej kompleksów sygnałowych.
- Screening: Dostarcza gotowe do analizy substraty o jednolitych rozmiarach struktur, zapewniając niezawodne wychwytywanie i detekcję cząsteczek.
- Analityka: Generuje mierzalne wyniki topograficzne (rozmiar struktur, głębokość), które korelują z funkcjonalnymi odpowiedziami biologicznymi.
- Badania translacyjne: Łączy powierzchnie nanostrukturalne z przedkliniczną oceną oddziaływań materiał-komórka.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi skalowalną możliwość nanofabrykacji do wielokrotnego zastosowania w ramach wielu kampanii walidacji celów i screeningu.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad relacją struktura-funkcja poprzez umożliwienie precyzyjnej kontroli nad cechami powierzchniowymi.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność generowania nanostruktur w różnych laboratoriach i projektach.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) we wczesnej fazie odkryć, dostarczając predykcyjnych modeli powierzchni dla oddziakiwań z celem.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację biomateriałów i konstruktów modyfikowanych powierzchniowo z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o dane dotyczące wydajności w nanoskali.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu chemii fotochromowej oraz technik litografii optycznej.
- Zależy od dostępu do narzędzi interferometrycznych oraz środowiska typu cleanroom w celu precyzyjnej kontroli wzorca.
- Wymaga standaryzacji protokołów naświetlania UV i wywoływania w ramach poszczególnych zespołów.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu techniki na inne materiały podłoża poza krzem.
- Jest ograniczona przez kontrast rozpuszczalności między izomerami otwartołańcuchowymi i zamkniętołańcuchowymi w wybranych rozpuszczalnikach polarnych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
