Introduction
الطباعة الحجرية الضوئية هي ذات أهمية رئيسية في تصنيع هياكل النانو والأجهزة. زيادة التقدم في تقنيات الطباعة الحجرية رواية لديه القدرة على تمكين أجيال جديدة من الأجهزة الجديدة. 8-11 في هذه المقالة، ويقدم استعراضا لفئة من تقنيات الطباعة الحجرية الضوئية التي تحقق العميق الدقة الطول الموجي الفرعية باستخدام جزيئات photoswitchable الرواية. ويسمى هذا النهج الزخرفة عبر والبصرية تشبع التحولات (POST). 1-3
المنصب هو تقنية جديدة nanofabrication يجمع بشكل فريد أفكار تشبع التحولات البصرية من الجزيئات الضوئية، وتحديدا (1،2 مكرر (5،5'-ثنائي ميثيل-2،2'-bithiophen-يل)) perfluorocyclopent-1-الشم. بالعامية، ويشار إلى هذا المركب كما BTE، الشكل 1، مثل تلك المستخدمة في الانبعاث المستحث استنفاد (STED) المجهري 12، مع الطباعة الحجرية تشويش مما يجعلها أداة قوية لارجمنطقة الإلكترونية nanopatterning موازية من الميزات subwavelength عميقة على مجموعة متنوعة من الأسطح مع تمديد محتمل ل2- و 3 أبعاد.
طبقة الضوئية هي دولة متجانسة أصلا في واحدة. عندما يتعرض هذه الطبقة إلى الإضاءة موحدة من λ 1، فإنه يتحول لدولة ايزوميريا الثانية (1C)، الشكل 2. ثم يتعرض العينة إلى عقدة مركزة في λ 2، والذي يحول العينة إلى أول دولة ايزوميريا ( 1O) في كل مكان ما عدا في محيط القريب من العقدة. من خلال التحكم في جرعة التعرض، وحجم المنطقة غير محول يجوز صغيرة بشكل تعسفي. والخطوة اللاحقة تحديد واحد من ايزومرات يمكن بشكل انتقائي وبشكل لا رجعة فيه تحويل (مغلق) إلى دولة 3 الثالثة (باللون الأسود) لقفل النمط. وبعد ذلك، تتعرض طبقة موحد على λ 1، والذي يحول كل شيء ما عدا منطقة مغلقة يعود إلى حالته الأصلية. السلسلة من الخطوات يمكن ان تتكرر مع تشريد عينة المتعلقة البصريات، مما أدى إلى منطقتين مقفل التي تباعد أصغر من الحد حيود بعيدة الميدان. لذلك، قد يكون نمط أي هندسة التعسفية في "نقطية" الموضة. 1-3
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: تنفيذ كافة الخطوات التالية تحت الطبقة غرف الأبحاث 100 شروط أو أفضل.
التحضير 1. عينة
- تنظيف رقاقة السيليكون 2 "مع قطر التخزين المؤقت أكسيد حفر (البنك المركزي البريطاني) الحل (6 أجزاء 40٪ NH 4 F و 1 جزء 49٪ HF) لمدة 2 دقيقة (تنبيه: المواد الكيميائية الخطرة). اختيار هذا الوقت حفر لإزالة أي ملوثات العضوية أو على السطح. شطف مع منزوع الأيونات (DI) الماء لمدة حوالي 5 دقائق. رقاقة الجاف مع N الجاف 2.
ملاحظة: أبدا العمل وحدها عند استخدام HF. ترتدي دائما حماية العين مع درع الوجه ومعدات الوقاية الشخصية (PPE) في حالة انسكاب. المبادئ التوجيهية آخر لاستخدام والتعامل مع النفايات HF في المختبر حيث يتم تنفيذ الحفر.
ملاحظة: الخطوات 1،2-1،7 هي للقفل الكهروكيميائية فقط. إذا كان أداء تأمين طريق حل انتقل إلى الخطوة 2. - لوضع القطب العمل، تفل 100 نيوتن متر من البلاتين (حزب العمال) على نظيفة 2 "قطر silicعلى رقاقة.
- قبل الحفر الفيلم البلاتين رقيقة، وتنظيف غرفة RIE من أي شوائب أو مقاومة للضوء بقايا من يحفر الجافة السابقة.
- ضخ أسفل غرفة حتى ضغط قاعدة 1 × 10 -5 ويتحقق عربة. تأكد من أن يتم تعيين سلطة RF إلى 200 W، ومن المقرر أن معدلات التدفق لالأكسجين والأرجون إلى 50 SCCM و 10 SCCM على التوالي. إشعال البلازما عار / O 2 وتشغيل لا يقل عن 1 ساعة.
- إيقاف البلازما عار / O 2 والسماح للغرفة تنفيس لحوالي 10 دقيقة.
- لحفر البلاتين سطح طبقة رقيقة، تحميل العينة في غرفة RIE وضخ الغرفة وصولا الى ضغط قاعدة 1 × 10 -5 عربة. هذه المرة ضبط معدل تدفق الأرجون ل0 SCCM. إشعال البلازما O 2 والسماح هذه العملية تعمل لمدة 30 دقيقة.
- إيقاف البلازما O 2 والسماح للغرفة تنفيس لمدة 10 دقيقة.
2. التبخر الحراري للاللونية الجزيئة عن طريق مخصص Lآه المبخر درجة الحرارة (LTE)
- شغل ألو 2 قارب مع 30 ملغ من BTE وتحميل إلى مصدر LTE مخصصة (الشكل 6).
- تحميل رقاقة السيليكون في عينة جبل.
- الموانئ غرفة ختم وغرفة المضخة وصولا الى ضغط قاعدة 1 × 10 -6 عربة.
- تتبخر BTE في درجة الحرارة المضبوطة مسبقا من 100 درجة مئوية، مع سماكة الفيلم من 30 نانومتر.
- مباشرة بعد التبخر والفيضانات تسليط الضوء على عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية لتحويل المواد BTE إلى النموذج مغلقة، 1C.
- من أجل تحديد حجم العينة، يلتصق قطعة صغيرة من الرقاقة باستخدام الكاتب الماس الى نقطة الصفر خط من على حافة سطح السيليكون. انتزاع الرقاقة على جانبي خط الصفر وثني رقاقة نزولا حتى وقوعه على طول الطائرة وضوح الشمس.
- أداء قياسات profilometer للتحقق من صحة BTE سماكة رقيقة. للقيام بذلك، خدش العينة باستخدام غرامة حافة ملاقط. قياس ارتفاع خطوة جيئة وذهابام هذا الصفر، وهذا هو الفرق في الارتفاع بين الحق وموضع المؤشر الأيسر.
ملاحظة: أخطاء في سماكة الفيلم يؤدي إلى اختلافات في جرعة التعرض. - متجر المتبقية العينة في N 2 شغل في صندوق قفازات.
3. التعرض
ملاحظة: إجراء كل التعرضات في ظل ظروف الجو الخاملة لمنع تدهور العينة.
- يلتصق العينة باتباع نفس الإجراء على النحو المبين في الخطوة 2.6.
- عينة الحمل في خامل صاحب العينة الغلاف الجوي.
- جبل خامل صاحب العينة على خشبة المسرح. عينة تطهير مع N 2.
- فضح العينة إلى وقت التعرض المطلوب باستخدام تداخل، مثل واحد هو مبين في الشكل (8).
4. الكهروكيميائية أكسدة عن طريق ثلاثة الكهربائي الخلية
ملاحظة: إجراء الكيمياء الكهربائية في ظل ظروف الجو الخاملة لمنع تدهور العينة.
- المشبك قارورة زجاجية نظيفة على الجزء العلوي من لوحة الساخنة. وضع شريط التحريك نظيفة في القارورة. بدوره على النمام.
- تنظيف مقطع النحاس جديد مع الميثانول. تنظيف الكهربائي البلاتين مواجهة مع الميثانول.
- باستخدام مشبك النحاس نظيفة، مقطع العينة من خلال واحدة من الثقوب في الحد الأقصى تفلون قارورة. تأكد من مقطع على البلاتين تتعرض فقط.
- وضع غطاء القارورة تفلون على القارورة. مقطع الرصاص الأحمر على القطب البلاتين المضاد والرصاص الأسود على مقطع النحاس عقد العينة.
- باستخدام حقنة نظيفة، وملء قارورة مع منزوع الأيونات تصفيتها (DI) المياه من خلال ثقب الثاني في الحد الأقصى تفلون قارورة. ملء تصل إلى دون تخبط أي من البلاتين عارية على العينة.
- النيتروجين فقاعة في الماء لمدة 3-5 دقيقة. إيقاف النيتروجين.
- وضع القطب المرجعية في حفرة الثاني في الحد الأقصى تفلون قارورة. مقطع الرصاص الأبيض على القطب المرجعية. تحقق للتأكد أي متأكدا من البلاتين عارية سن ومغمورة العينة.
- باستخدام voltammograph، تعيين الأكسدة الجهد إلى 0.5 V / ثانية.
- بعد انقضاء الوقت الأكسدة المطلوب، وتحويل الطاقة إلى voltammograph قبالة.
- إزالة مقاطع الأحمر والأسود، والأبيض من العداد الكهربائي البلاتين، مقطع النحاس، والقطب المرجعية.
- فضح عينة للأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق.
5. تطوير نموذج - الكهروكيميائية قفل
ملاحظة: تنفيذ التنمية في ظل جو الخاملة لمنع تدهور العينة.
- تطوير العينة في المصفاة (5٪ بالوزن) الأيزوبروبانول، 95 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين للمبلغ المطلوب من الوقت. ملاحظة: يتم تطوير عادة 50 نانومتر عينات لمدة 30-60 ثانية بينما يتم تطوير 80 نانومتر عينات ل60-180 ثانية.
- عينة الجافة مع N الجاف 2.
- فضح فورا عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية.
6. عينة التنمية - حل قفل
ملاحظة: تنفيذ التنمية في ظل جو الخاملة لمنع تدهور العينة.
- باستخدام 100 مل من جلايكول الإثيلين في كوب زجاجي نظيف وتطوير العينة المعرضة للمرة التنمية المنشودة.
- عينة الجافة مع N الجاف 2. فضح فورا عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية.
7. التعرض لأخطار متعددة
- إذا كان أداء التعرض لأخطار متعددة كرر الخطوات من 3-6 مع ترجمة للعينة المتعلقة البصريات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
عينات ملفقة:
تميزت مرات الأكسدة المختلفة كما يتضح من الميكروسكوب الذرية القوة في الشكل 3 في الجهد أكسدة 0.85 V تحديده من voltammetry دوري. تعرضت الأفلام 50 نانومتر سميكة لموجة دائمة في λ = 647 نيوتن متر من الفترة 400 نانومتر لمدة 60 ثانية في كثافة الطاقة من 0.95 ميغاواط / سم 2. كما يتم زيادة الوقت أكسدة من 10 دقيقة إلى 25 دقيقة، ويمكن للمرء أن يرى بوضوح فقدان النقيض من ذلك حيث أن بعض المناطق تتألف من 1O الحصول على أكسدة أيضا. المطور (5 (٪ بالوزن) الأيزوبروبانول: 95 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين) يذوب كل أجزاء أكسدة. مرات الأكسدة أكبر نتيجة في خط غير المتكافئة، وزيادة سطح غير الإتساق بعد التنمية. ولذلك، فإن اختيار دقيق للظروف الأكسدة أمر بالغ الأهمية لالنانو الزخرفة ذات جودة عالية. 2
لحظة ثنائي القطب العليا للشكل مغلقمن الجزيء، 1C، بالمقارنة مع النموذج المفتوح، 1O، ويسمح لشكل مغلق ليكون أكثر قابلية للذوبان في المذيبات القطبية. ويمثل هذا في الشكل (4)، حيث تم تحويل نصف العينة إلى النموذج مغلقة، 1C، وتم تحويل النصف الآخر إلى النموذج المفتوح، 1O. وبعد ذلك وضعت العينة في 100 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين لعدة مرات التنمية المختلفة ومن ثم سمك الفيلم تم قياس المتبقية باستخدام profilometer. من هذا الرسم البياني ينظر إلى الانتقائية العالية للخطوة قفل حل. لإزالة الطبقة المتبقية من شكل مغلق، 1C، وهي عملية رد الفعل ايون النقش (ري) كما تستخدم في nanoimprint الطباعة الحجرية يمكن استخدامها. 13
منذ فيلم اللونية يمكن استرداد بسهولة إلى حالته الأصلية عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية، فإنه واضح ومباشر لتوسيع الفكرة إلى التعرض لأخطار متعددة. هذا هو، بطبيعة الحال، اللازمة لخلقأنماط الكثيفة. هنا، يظهر جدوى هذا النهج من خلال إجراء اثنين من التعرض للموجة دائمة نفسها، ولكن مع ~ 45 درجة دوران بين (الشكل 5). أجريت كل تعرض على تداخل Lloyd's مرآة، مع موجة دائمة من فترة، 540 نانومتر في λ = 647 نانومتر (شدة الحادث ~ 2.1 ميغاواط / سم 2) لمدة 1 دقيقة. بعد أول تعرض، كانت مغمورة العينة في 100 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين لمدة 30 دقيقة وتتعرض لطول الموجة القصير مصباح الأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق لتحويل الجزيئات إلى الأصلي المغلقة حلقة ايزومير 1C. وقد تناوب العينة ثم حوالي 45 درجة بالنسبة إلى البصريات، وتم إجراء التعرض الثاني إلى موجة دائمة. مرة أخرى، كانت مغمورة العينة في 100 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين لمدة 30 دقيقة. بعد كل من التطوير، وتشطف العينة في الماء منزوع الأيونات والمجففة مع N 2. المقابلة ذرية قوة مجهرية يحل خطوط مع تباعد صغيرة مثل ~ 260 نانومتر أو & #955، /2.5، وهو أقل من نصف فترة موجة دائمة 3.
للتحقق من فعالية صاحب العينة، أجريت التعرض عدة لمعرفة ما إذا خشونة خط حافة قد تحسنت. بافتراض أن الإضاءة الجيبية الحادث، مما أدى حجم الميزة يمكن محاكاة بسهولة. في الشكل 7، يتم رسم هذا الحجم ميزة بوصفها وظيفة من الوقت التعرض باستخدام الخط الأزرق الصلب. وتظهر القيم المقاسة معمليا باستخدام الصلبان. باستخدام عتبة التعرض كمعلمة المناسب فقط، وتبين أن هذا نموذج بسيط يمكن أن تفسر بدقة النتائج التجريبية لدينا. كان أصغر حجم ميزة الحصول عليها تجريبيا ~ 85 نانومتر، المقابلة لlinewidth من ~ λ / 7.4. أكثر دقة السيطرة على وقت التعرض يجب تمكين ميزات أصغر. لاحظ أن مثل التعرض الوقت يتم زيادة، تشير إلى أن حجم ميزة المحاكاة ينبغي خفض أقل بكثير من حيود لى بعيدة الميدان معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. من المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الصور، يظهر أن خشونة خط الحافة قد تحسنت مع استخدام خامل صاحب العينة الغلاف الجوي.
الشكل 1. العضوي بنية جزيء اللونية. مركب 1 موجود في شكل مفتوح، 1O وشكل مغلق، 1C. الأكسدة الكهروكيميائية تحويل انتقائي 1C إلى 1ox.
الشكل 2. وظيفة تقنية. التعرض والزخرفة "قفل" الخطوات المطلوبة لميزة التسجيل. (A) الكهروكيميائية الأكسدة. (ب) حل photoisomer واحد.
ether.within صفحة = "دائما"> 
الشكل 3. المعزولة الميزات. الميكروسكوب القوة الذرية خطوط بعد التطوير للعينات في مختلف الأوقات الأكسدة. 2 سمك الأغشية الرقيقة من ~ 50 نانومتر. أعيد طبعها بإذن من [كانتو، P.، وآخرون. Subwavelength nanopatterning من الأفلام diarylethene الضوئية. التطبيقات. فيز. بادئة رسالة. 100 (18)، 183103]. حقوق التأليف والنشر [2012]، AIP النشر LLC. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. معدل حل. هذا الرقم يدل على الذوبان في نطاق الكلي من 1C و1O في 100 (٪ بالوزن) Ethylenالبريد غليكول. 3 سمك الأغشية الرقيقة من ~ 29 نانومتر. أعيد طبعها بإذن من [كانتو، P.، وآخرون. Nanopatterning من الأفلام diarylethene عبر حل الانتقائي للphotoisomer واحد. التطبيقات. فيز. بادئة رسالة. 103 (17) 173112]. حقوق التأليف والنشر [2013]، AIP النشر LLC.
الشكل 5. التجريبية مظاهرة مزدوج التعرض اليسار:.. التوجه تبين تخطيطي للعينة لالمزدوج التعرض باستخدام الزاوية اليمنى: صورة مجهرية القوة الذرية نمط الناتجة عن ذلك. صورة مجهرية القوة الذرية تكشف عن أصغر التباعد بين الميزات على النحو ~ 260nm، وهو ما يقرب من نصف فترة موجة يقف إلقاء الضوء. 3 أعيد طبعها بإذن من [كانتو، P.، وآخرون. Nanopatterning من الأفلام diarylethene عبر disso انتقائيةlution من photoisomer واحد. التطبيقات. فيز. بادئة رسالة. 103 (17) 173112]. حقوق التأليف والنشر [2013]، AIP النشر LLC. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6. مخصص المبخر. صورة المبخر الحراري درجة حرارة منخفضة (LTE) المستخدمة في تقنية POST. 2 أعيد طبعها بإذن من [كانتو، P.، وآخرون. Subwavelength nanopatterning من الأفلام diarylethene الضوئية. التطبيقات. فيز. بادئة رسالة. 100 (18)، 183103]. حقوق التأليف والنشر [2012]، AIP النشر LLC.
الرقم 7. Linewidth مقابل زمن التعرض لالتن واحدر والتعرض. ويظهر الحادث محاكاة الإضاءة الجيبية بمثابة الخط الأزرق الصلبة، في حين يتم عرض البيانات التجريبية باستخدام الصلبان. كان من المفترض والإضاءة الجيبية مع الفترة من 457 نانومتر. أقحم: صور SEM الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8. تخطيطي من الإعداد التداخل ماخ زيندر تستخدم لحالات التعرض. وتستخدم الأولى لوحة نصف موجة للسيطرة على السلطة في كل ذراع. يتم استخدام لوحة نصف الموجة الثانية للسيطرة على الاستقطاب.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Isopropanol | Fisher Scientific | P/7500/15 | CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources. |
| Buffered Oxide Etch | |||
| Methanol | Ricca Chemical | 48-293-2 | CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources. |
| Ethylene Glycol | Sigma-Aldrich | 324558 | CAUTION: Harmful if swallowed |
| Silicon wafer | |||
| Diamond Scribe | |||
| Glass Beakers | |||
| Tweezers | Ted Pella | 5226 | |
| Reactive Ion Etching System | Oxford | Plasma Lab 80 Plus | |
| Inert Atmosphere Sample Holder | Proprietary In-house Designed | ||
| Polarizing beamsplitter cube | Thorlabs | PBS052 | |
| HeNe Laser | Melles Griot | 25-LHP-171 | CAUTION: Wear safety glasses |
| Half-wave plates | Thorlabs | WPH05M-633 | |
| Thermal Evaporator | Proprietary In-house Designed | ||
| TMV Super | TM Vacuum Products | TMV Super | |
| Voltammograph | Bioanalytical Systems | CV-37 | |
| Shortwave UV lamp 365 nm | UVP Analytik Jena Company | UVGL-25 | CAUTION: Wear UV safety glasses |
References
- Brimhall, N., Andrew, T. L., Manthena, R. V., Menon, R. Breaking the far-field diffraction limit in optical nanopatterning via repeated photochemical and electrochemical transitions in photochromic molecules. Physical Review Letters. 107 (20), 205501 (2011).
- Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning of photochromic diaryethene films. Applied Physics Letters. 100 (18), 183103 (2012).
- Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Nanopatterning of diarylethene films via selective dissolution of one photoisomer. Applied Physics Letters. 103 (17), 173112 (2013).
- Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
- Li, L., et al. Achieving λ/20 resolution by one-color initiation and deactivation of polymerization. Science. 324 (5929), 910-913 (2009).
- Fischer, J., von Freymann, G., Wegener, M. The materials challenge in diffraction-unlimited direct-laser-writing optical lithography. Advanced Materials. 22 (32), 3578-3582 (2010).
- Mirkin, C. A., et al. Beam pen lithography. Nature Nanotechnology. 5, 637-640 (2010).
- Xie, X., et al. Manipulating spatial light fields for micro- and nano-photonics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 44, 1109-1126 (2012).
- Leroy, J., et al. High-speed metal-insulator transition in vanadium dioxide films induced by an electrical pulsed voltage over nano-gap electrodes. Applied Physics Letters. 100 (21), 213507 (2012).
- Carr, D., Sekaric, L., Craighead, H. Measurement of nanomechanical resonant structures in single-crystal silicon. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3821-3824 (1998).
- Wilhelmi, O., et al. Rapid prototyping of nanostructured materials with a focused ion beam. Japanese Journal of Applied Physics. 47 (6), 2010-5014 (2008).
- Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 14, 4129 (1996).
- Guillemette, M. D., et al. Surface topography induces 3D self-orientation of cells and extracellular matrix resulting in improved tissue function. Integrative Biology. 1 (2), 196-204 (2009).
