Направленная сборка микро- и наноструктур - Directed assembly of micro- and nano-structures

Направленная сборка микро- и наноструктур методы массового производства устройств и материалов от микро до нано. Направленная сборка позволяет точно контролировать сборку микро- и наночастиц для формирования даже самых сложных и высокофункциональных устройств или материалов.[1]

Направленная самостоятельная сборка

Направленная самосборка (DSA) - это тип направленной сборки, в которой используется морфология блок-сополимера для создания линий, пространств и шаблонов отверстий, что способствует более точному управлению формами элементов. Затем он использует поверхностные взаимодействия, а также термодинамику полимера, чтобы завершить формирование окончательных форм узора.[2] Чтобы контролировать взаимодействие с поверхностью, обеспечивая разрешение менее 10 нм, в 2017 году команда из Массачусетского технологического института, Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории разработала способ использования нанесенного из паровой фазы полимерного верхнего слоя на блок-сополимерную пленку.[3]

DSA не является отдельным процессом, а скорее интегрирован с традиционными производственными процессами с целью массового производства микро- и наноструктур с меньшими затратами. Направленная самосборка в основном используется в производстве полупроводников и жестких дисков. Полупроводниковая промышленность использует этот метод сборки, чтобы иметь возможность увеличить разрешение (пытаясь уместить больше ворот), в то время как промышленность жестких дисков использует DSA для производства «носителей с битовой структурой» в соответствии с указанной плотностью хранения.[4]

Микроструктуры

Существует множество применений направленной сборки в микромасштабе, от тканевой инженерии до тонких полимерных пленок. В тканевой инженерии направленная сборка смогла заменить строительный каркас строительных тканей. Это происходит за счет управления положением и организацией различных клеток, которые являются «строительными блоками» ткани, в различные желаемые микроструктуры. Это устраняет ошибку невозможности воспроизвести ту же самую ткань, что является серьезной проблемой при использовании строительных лесов.[5]

Наноструктуры

Направленная сборка наночастиц. Здесь частицы образуют организованную структуру из исходного неорганизованного состояния.

Нанотехнологии предоставляет методы для организации материалов, таких как молекулы, полимеры, строительные блоки и т. д., для формирования точных наноструктуры которые имеют множество приложений.[6] В процессе и применении самосборки пептидов в нанотрубки одностенные углеродные нанотрубки это пример, который состоит из листа графена, бесшовно намотанного на цилиндр. Это происходит во внешнем потоке углерода и получается путем лазерного испарения графита, обогащенного переходным металлом.[7]

Литография с применением наноимпринтов - популярный метод изготовления рисунков в нанометровом масштабе. Узоры изготавливаются путем механической деформации импринт-резиста (мономерный или полимерный состав) и последующих процессов. Затем он отверждается нагреванием или ультрафиолетовым светом, а плотность резиста и шаблона контролируется в соответствующих условиях, в зависимости от наших целей. Кроме того, наноимпринт литография имеет высокое разрешение и пропускную способность при невысокой стоимости.[8] К недостаткам можно отнести увеличенное время для процедур создания шаблонов, отсутствие стандартных процедур приводит к множеству методов изготовления, а количество шаблонов, которые можно сформировать, ограничено.

Чтобы уменьшить эти преимущества при применении нанотехнологий в электронике, исследователи из Национальный фонд науки Наноразмерный научно-технический центр высокоскоростного нанопроизводства (CHN) в Северо-Восточный университет с партнерами UMass Lowell и Университет Нью-Гэмпшира разработали направленный процесс сборки сетей из однослойных углеродных нанотрубок (SWNT) для создания шаблона схемы, который можно переносить с одной подложки на другую.[9]

Самособирающиеся монослои на твердых подложках

Самособирающиеся монослои (SAM) состоят из слоя органических молекул, которые естественным образом образуют упорядоченную решетку на поверхности желаемой подложки. Их молекулы в решетке имеют химические связи на одном конце (головная группа), в то время как другой конец (концевая группа) создает открытую поверхность SAM.

Могут быть сформированы многие типы SAM. Например: тиолы формировать SAM на золоте, серебре, меди или на некоторых сложных полупроводниках, таких как InP и GaAs. Изменяя хвостовую группу молекул, можно получить различные свойства поверхности; поэтому SAM можно использовать для придания поверхностям гидрофобности или гидрофильности, а также для изменения состояния поверхности полупроводника. С самосборка, позиционирование SAM используется для точного определения химической системы, чтобы найти целевое местоположение в молекулярно-неорганическом устройстве. С этой характеристикой SAM являются хорошими кандидатами для молекулярных электронных устройств, таких как использование SAM для создания электронных устройств, и, возможно, схемы представляют собой интригующую перспективу. Из-за их способности служить основой для хранения данных с очень высокой плотностью и высокоскоростных устройств.[10]

Акустические методы

Направленная сборка с использованием акустических методов манипулирует волнами, чтобы обеспечить неинвазивную сборку микро- и наноструктур. По этой причине акустика особенно широко используется в биомедицинской промышленности для управления каплями, клетками и другими молекулами.

Акустические волны генерируются пьезоэлектрический преобразователь управляется от генератора импульсов. Эти волны могут затем манипулировать каплями жидкости и перемещать их вместе, чтобы сформировать упакованную сборку. Более того, частота и амплитуда волн могут быть изменены, чтобы добиться более точного управления конкретным поведением капли или ячейки.[11]

Оптические методы

Направленная сборка или, более конкретно, направленная самосборка, может обеспечить высокое разрешение рисунка (~ 10 нм) с высокой эффективностью и совместимостью. Однако при использовании DSA в крупносерийном производстве необходимо иметь способ количественной оценки степени упорядоченности шаблонов строк / промежутков, формируемых DSA, чтобы уменьшить дефект.[12]

Нормальный подход, такой как критический размер-сканирующая электронная микроскопия (CD-SEM) для получения данных для проверки качества образца занимает слишком много времени и также является трудоемким. С другой стороны, метрология на основе оптического скаттерометра - это неинвазивный метод, который имеет очень высокую пропускную способность из-за большего размера пятна. Это приводит к сбору большего количества статистических данных, чем при использовании SEM, и эта обработка данных также автоматизирована с помощью оптического метода, что делает ее более осуществимой, чем традиционный CD-SEM.[13]

Магнитные методы

Самосборка, направленная магнитным полем (MFDSA), позволяет управлять дисперсией и последующей сборкой магнитных наночастиц. Это широко используется при разработке современных материалов, при которых неорганические наночастицы (НЧ) диспергируются в полимерах, чтобы улучшить свойства материалов.

Метод магнитного поля позволяет собирать частицы в 3D, выполняя сборку в разбавленной суспензии, где растворитель не испаряется. Также не нужно использовать шаблон, и этот подход также улучшает магнитную анизотропию в направлении цепи.[14]

Диэлектрофоретические методы

Самосборка, направленная диэлектрофорезом, использует электрическое поле, которое управляет металлическими частицами, такими как золотые наностержни, индуцируя диполь в частицах. Изменяя полярность и напряженность электрического поля, поляризованные частицы либо притягиваются к положительным областям, либо отталкиваются от отрицательных областей, где электрическое поле имеет более высокую напряженность. Этот метод прямого воздействия перемещает частицы в нужное положение и ориентирует их в наноструктуру на рецепторной подложке.[15]

Рекомендации

  1. ^ Bachand, M., N.F. Bouxsein, S. Cheng, S.J. Von Hoyningen-Huene, M. J. Stevens и G.D.Bachand. «Направленная самосборка одномерных нанометров микротрубочек». RSC Adv. 4.97 (2014): 54641-4649. Интернет. 15 февраля 2016 г.
  2. ^ Bachand, M., N.F. Bouxsein, S. Cheng, S.J. Von Hoyningen-Huene, M. J. Stevens и G.D.Bachand. «Направленная самосборка одномерных нанометров микротрубочек». RSC Adv. 4.97 (2014): 54641-4649. Интернет. 16 февраля 2016 г.
  3. ^ Су, Хё Сон; Ким, До Хан; Мони, Прия; Сюн, Шишэн; Ocola, Leonidas E .; Zaluzec, Nestor J .; Глисон, Карен К .; Нили, Пол Ф. (июль 2017 г.). «Формирование рисунка размером менее 10 нм посредством направленной самосборки пленок блок-сополимера с нанесенным верхним покрытием из паровой фазы». Природа Нанотехнологии. 12 (6): 575–581. Дои:10.1038 / nnano.2017.34. ISSN  1748-3387. OSTI  1373307. PMID  28346456.
  4. ^ «Перспективы технологии DSA для наномасштабного производства». Перспективы технологии DSA для наномасштабного производства. Институт молекулярной инженерии Чикагского университета, n.d. Интернет. 16 февраля 2016 г.
  5. ^ Kachouie, Nezamoddin N et al. «Направленная сборка клеточно-нагруженных гидрогелей для инженерных функциональных тканей». Органогенез 6.4 (2010): 234–244. ЧВК. Интернет. 15 февраля 2016 г.
  6. ^ Бринкер, Чарльз Джеффри. «Самосборка, вызванная испарением: упрощенные наноструктуры». Annuaire-cdf L’annuaire Du Collège De France 112 (2013): 825-31. Unm.edu. 15 июля 2013 г. Web. 17 февраля 2016 г.
  7. ^ Мол. САМОСБОРКА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБК (нет данных): n. стр. Msu.edu. Интернет. 17 февраля 2016 г.
  8. ^ Писатель, Общественный .. "Наноимпринт-литография". Википедия. Фонд Викимедиа, февраль-март. 2011. Интернет. 17 февраля 2016 г.
  9. ^ Джонсон, Декстер. «Высокопроизводительная направленная сборка наноструктур обещает большие изменения в электронике». N.p., n.d. Интернет. 17 февраля 2016 г.
  10. ^ Бабак Амир Парвиз, «Использование самосборки для изготовления наноразмерных электронных и фотонных устройств», Интернет-август 2003 г.
  11. ^ Ф. Сю, Т. Д. Финли, М. Туркайдин, Ю. Сунг, У. А. Гуркан, А. С. Явуз, Р. О. Гульдикен, У. Демиричи. «Сборка инкапсулирующих клетки микромасштабных гидрогелей с использованием акустических волн». Биоматериалы 32.31 (2011): 7847-7855. ScienceDirect. Интернет. 16 февраля 2016 г.
  12. ^ Диксит, Дайрия Дж. «Оптическая метрология для направленной самосборки с использованием рефлектометрии на основе матричной спектроскопической эллипсометрии Мюллера». ProQuest Dissertations and Theses Global (2015): 3718824. ProQuest. Интернет. 3 марта 2016 г.
  13. ^ Van Look, L., Rincon Delgadillo, P., Yu-tsung Lee, Pollentier, I., Gronheid, R., Yi Cao, Guanyang Lin, Nealey, P.F. «Квалификация решетки с высокой пропускной способностью для направленной самосборки с использованием оптической метрологии». Микроэлектронная техника 123 (2014): 175-179. ScienceDirect. Интернет. 3 марта 2016 г.
  14. ^ Кромменхук, Питер Джон. «Самосборка цепей магнитных наночастиц в полимерах под действием магнитного поля». ProQuest Dissertations and Theses Global (2013): 3690306. ProQuest. Интернет. 3 марта 2016 г.
  15. ^ А. Пескаглини, У. Эмануэле, А. О’Риордан и Даниэла Якопино. «Диэлектрофоретическая самосборка наностержней Au для зондирования». Iopscience.iop.org. IOP Publishing, 4 марта 2016 г. Интернет. 4 марта 2016 г.