Mikro ve nano yapıların yönlendirilmiş montajı - Directed assembly of micro- and nano-structures
Mikro ve nano yapıların yönlendirilmiş montajı, mikro ila nano cihaz ve malzemelerin seri üretim yöntemleridir. Yönlendirilmiş montaj, en karmaşık ve son derece işlevsel cihazları veya malzemeleri bile oluşturmak için mikro ve nano parçacıkların montajının doğru kontrolünü sağlar.
Yönlendirilmiş kendi kendine montaj
Yönlendirilmiş kendi kendine montaj (DSA), hatlar, boşluk ve delik desenleri oluşturmak için blok kopolimer morfolojisini kullanan ve özellik şekillerinin daha doğru kontrolünü kolaylaştıran bir yönlendirilmiş montaj türüdür. Ardından, nihai model şekillerinin oluşumunu tamamlamak için yüzey etkileşimlerinin yanı sıra polimer termodinamiği kullanır. 10 nm altı çözünürlük sağlayan yüzey etkileşimlerini kontrol etmek için, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, Chicago Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndan oluşan bir ekip, 2017 yılında blok kopolimer film üzerinde buhar fazında biriktirilmiş polimerik üst katmanı kullanmanın bir yolunu geliştirdi. .
DSA bağımsız bir süreç değil, mikro ve nano yapıları daha düşük bir maliyetle seri üretmek için geleneksel üretim süreçleriyle entegre edilmiştir. Yönlendirilmiş kendinden montaj, çoğunlukla yarı iletken ve sabit disk endüstrilerinde kullanılır. Yarı iletken endüstrisi, çözünürlüğü artırabilmek için (daha fazla kapıya sığdırmak için) bu montaj yöntemini kullanırken, sabit disk endüstrisi, belirtilen depolama yoğunluklarına göre "bit desenli ortam" üretmek için DSA'yı kullanır.
mikro yapılar
Doku mühendisliğinden polimer ince filmlere kadar mikro ölçekte yönlendirilmiş montajın birçok uygulaması vardır. Doku mühendisliğinde, yönlendirilmiş montaj, bina dokularının iskele yaklaşımının yerini alabilmiştir. Bu, dokunun "yapı taşları" olan farklı hücrelerin konumunu ve organizasyonunu istenen farklı mikro yapılara kontrol ederek gerçekleşir. Bu, iskele yaklaşımında önemli bir sorun olan aynı dokuyu yeniden üretememe hatasını ortadan kaldırır.
Nanoyapılar
Nanoteknoloji , birçok uygulamaya sahip hassas nanoyapılar oluşturmak için moleküller, polimerler, yapı taşları vb. gibi malzemeleri organize etme yöntemleri sağlar . Nano tüplere peptit kendiliğinden birleşmesi süreci ve uygulamasında, tek duvarlı karbon nano tüpler , bir silindire sorunsuz bir şekilde sarılmış bir grafen levhadan oluşan bir örnektir. Bu, bir karbonun dış akışında üretilir ve bir geçiş metali ile zenginleştirilmiş grafitin lazerle buharlaştırılmasıyla elde edilir.
Nanoimprint litografi, nanometre ölçekli model üretmek için popüler bir yöntemdir. Desenler, baskı direncinin (monomer veya polimer formülasyonu) mekanik deformasyonu ve sonraki işlemlerle yapılır. Daha sonra ısı veya ultraviyole ışık ile kürlenir ve amacımıza bağlı olarak uygun koşullarda direnç ve şablonun sıkı seviyesi kontrol edilir. Ayrıca, nanoimprint litografi , düşük maliyetle yüksek çözünürlüğe ve verime sahiptir. Dezavantajları arasında, şablon oluşturma prosedürleri için artan süre, standart prosedürlerin eksikliği, çoklu üretim yöntemleriyle sonuçlanır ve oluşturulabilen kalıplar sınırlıdır.
Nanoteknolojiyi elektroniğe uygularken bu dezavantajları azaltmak amacıyla , Northeastern Üniversitesi'ndeki Ulusal Bilim Vakfı'nın Nano Ölçekli Bilim ve Mühendislik Merkezi'ndeki (CHN) araştırmacılar, ortakları UMass Lowell ve New Hampshire Üniversitesi ile birlikte yönlendirilmiş bir proje geliştirdiler. Bir alt tabakadan diğerine aktarılabilen bir devre şablonu oluşturmak için tek duvarlı karbon nano tüp (SWNT) ağlarının montaj işlemi.
Katı yüzeyler üzerinde kendinden montajlı tek tabakalar
Kendiliğinden birleşen tek katmanlar (SAM'ler), istenen bir substratın yüzeyinde sıralı bir kafes olarak doğal olarak oluşan bir organik molekül katmanından yapılır. Kafesteki molekülleri bir uçta (baş grup) kimyasal olarak bağlantılara sahipken, diğer uçta (uç grup) SAM'ın açıkta kalan yüzeyini oluşturur.
Birçok SAM türü oluşturulabilir. Örneğin: tiyoller , altın, gümüş, bakır veya InP ve GaAs gibi bazı bileşik yarı iletkenler üzerinde SAM oluşturur . Moleküllerin kuyruk grubu değiştirilerek farklı yüzey özellikleri elde edilebilir; bu nedenle SAM'ler, yüzeyleri hidrofobik veya hidrofilik hale getirmek ve ayrıca yarı iletkenin yüzey durumlarını değiştirmek için kullanılabilir. İle kendini düzenlemesi , SAM konumlandırılması molekül inorganik cihazda hedef konumunu bulmak için tam olarak kimyasal sistemini tanımlamak için kullanılır. Bu özelliği ile SAM'ler, elektronik cihazlar oluşturmak için SAM'leri kullanmak gibi moleküler elektronik cihazlar için iyi bir adaydır ve belki de devreler ilgi çekici bir olasılıktır. Çok yüksek yoğunluklu veri depolama ve yüksek hızlı cihazlar için temel sağlama yetenekleri nedeniyle.
akustik yöntemler
Akustik yöntemler kullanılarak yönlendirilmiş montaj, mikro ve nano yapıların istilacı olmayan bir şekilde birleştirilmesine izin vermek için dalgaları manipüle eder. Bu nedenle akustik özellikle biyomedikal endüstrisinde damlacıkları, hücreleri ve diğer molekülleri manipüle etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Akustik dalgalar , puls üretecinden kontrol edilen bir piezoelektrik dönüştürücü tarafından üretilir . Bu dalgalar daha sonra sıvı damlacıklarını manipüle edebilir ve paketlenmiş bir montaj oluşturmak için bunları birlikte hareket ettirebilir. Ayrıca, damlacık veya hücrenin belirli davranışının daha doğru bir şekilde kontrol edilmesini sağlamak için dalgaların frekansı ve genliği değiştirilebilir.
optik yöntemler
Yönlendirilmiş montaj veya daha özel olarak yönlendirilmiş kendi kendine montaj, yüksek verimlilik ve uyumluluk ile yüksek bir model çözünürlüğü (~10 nm) üretebilir. Bununla birlikte, DSA'yı yüksek hacimli imalatta kullanırken, kusuru azaltmak için DSA tarafından oluşturulan çizgi/boşluk örüntülerinin derecesini ölçmek için bir yol bulunmalıdır.
Model kalite denetimi için veri elde etmek için kritik boyut taramalı elektron mikroskobu (CD-SEM) gibi normal yaklaşımlar çok fazla zaman alır ve ayrıca emek yoğundur. Öte yandan, optik saçılımölçer tabanlı metroloji, invazif olmayan bir tekniktir ve daha büyük spot boyutu nedeniyle çok yüksek verime sahiptir. Bunlar, SEM kullanmaktan daha fazla istatistiksel veri toplanmasıyla sonuçlanır ve veri işlemenin de optik teknikle otomatik hale getirilmesi, onu geleneksel CD-SEM'den daha uygun hale getirir.
Manyetik yöntemler
Manyetik alan yönlendirmeli kendi kendine montaj (MFDSA), manyetik nanoparçacıkların dağılımının ve ardından montajının manipülasyonuna izin verir. Bu, malzemelerin özelliklerini geliştirmek için inorganik nanoparçacıkların (NP'ler) polimerler içinde dağıtıldığı ileri malzemelerin geliştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Manyetik alan tekniği, montajı çözücünün buharlaşmadığı seyreltik bir süspansiyonda yaparak parçacıkların 3 boyutlu olarak birleştirilmesine izin verir. Ayrıca bir şablon kullanmasına gerek yoktur ve yaklaşım ayrıca zincir yönü boyunca manyetik anizotropiyi de geliştirir.
dielektroforetik yöntemler
Dielektroforetik yönlendirilmiş kendi kendine montaj , parçacıklarda bir dipol indükleyerek altın nanoçubuklar gibi metal parçacıkları kontrol eden bir elektrik alanı kullanır . Elektrik alanının polaritesini ve gücünü değiştirerek, polarize parçacıklar ya pozitif bölgelere çekilir ya da elektrik alanının daha güçlü olduğu negatif bölgelerden itilir. Bu doğrudan manipülasyon yöntemi, parçacıkları bir reseptör substratı üzerinde bir nano yapıya yerleştirmek ve yönlendirmek için taşır.