浸笔式纳米光刻

目录

  1. 1 浸笔式纳米光刻
  2. 2 浸笔式纳米光刻的发展
  3. 3 沉积材料
  4. 分子墨水
  5. 例子
  1. 液体油墨
  2. 例子
  3. 4 浸笔式纳米光刻的应用
  4. 工业应用
  5. 新兴应用
  1. 细胞工程
  2. 快速原型制作
  3. 5 DPN属性
  4. 直接写
  5. 独特优势
  1. 6 热浸笔光刻
  2. 7 束笔光刻
  3. 8 常见的误解
  4. 与其他技术的直接比较
  5. 与原子力显微镜的连接

    浸笔式纳米光刻

    浸笔式纳米光刻(DPN)是一种扫描探针光刻技术,其中原子力显微镜(AFM)尖端用于使用多种墨水在一系列物质上直接创建图案。该技术的一个常见示例是使用链烷硫醇盐压印在金表面上。该技术允许在100 纳米以下的规模上进行表面构图  。DPN是蘸水笔(也称为鹅毛笔)的纳米技术类似物,原子力显微镜的悬臂尖端位于其中用作“笔”,涂有用作“油墨”的化合物或混合物,并与基材“纸”接触。

    浸笔式纳米光刻能够以灵活的方式将纳米级材料直接沉积到基板上。最近的进展表明,使用55,000个尖端的二维阵列进行了大规模的并行构图。目前,该技术的应用范围涵盖化学、材料科学和生命科学,包括超高密度生物纳米阵列和附加光掩模修复等工作。

    浸笔式纳米光刻的发展

    Jaschke和Butt于1995年首次报道了分子'墨水'从涂层AFM尖端到基底的不可控制的转移,但他们错误地得出结论,烷硫醇无法转移到金基底上以形成稳定的纳米结构。由查德·米尔金(Chad Mirkin)领导的西北大学研究小组独立研究了该过程,并确定在适当的条件下,分子可以被转移到各种各样的表面上,从而在被称为“ DPN”的高分辨率光刻过程中形成稳定的化学吸附单层。 。Mirkin及其同事在此过程中拥有专利,并且图案化技术已经扩展到包括液体“墨水”。重要的是要注意,与“分子墨水”相比,“液体墨水”受非常不同的沉积机理支配。

    浸笔式纳米光刻

    沉积材料

    分子墨水

    分子墨水通常由涂在DPN笔尖上的小分子组成,并通过水弯液面传递到表面。为了涂覆的尖端,一个可以蒸气涂覆尖端或蘸尖端到含有分子墨水中的稀溶液。如果将笔尖浸涂一次,则必须在沉积之前除去溶剂。分子墨水的沉积速率取决于分子的扩散速率,每个分子的扩散速率都不同。特征的大小由笔尖/表面的停留时间(从毫秒到秒)和水弯月面的大小控制,水弯月面的大小由湿度条件决定(假设笔尖的曲率半径比弯月面小得多) 。

    • 水弯月面介导(确实存在例外)
    • 纳米级特征分辨率(50 nm至2000 nm)
    • 没有多重沉积
    • 每种分子墨水都限于其相应的基材

    例子

    • 烷烃硫醇写入黄金
    • 写入玻璃或硅的硅烷(固相)

    液体油墨

    液体油墨可以是在沉积条件下为液体的任何材料。液体沉积性质由液体和尖端,液体和表面之间的相互作用以及液体本身的粘度决定。这些相互作用将液体墨水的最小特征尺寸限制为大约1微米,具体取决于液体的接触角。较高的粘度提供了对特征尺寸的更大控制,这是合乎需要的。与分子墨水不同,可以使用载液进行多重沉积。例如,使用粘性缓冲液,可以同时直接沉积多种蛋白质。

    • 1-10微米功能分辨率
    • 多路沉积
    • 对油墨/表面的要求较少
    • 直接沉积高粘度材料

    例子

    • 蛋白质、肽和DNA模式
    • 水凝胶
    • 溶胶凝胶
    • 导电油墨
    • 脂质
    • 写入玻璃或硅的硅烷(液相)

    浸笔式纳米光刻的应用

    为了定义一个好的DPN应用程序,重要的是要了解DPN可以做其他技术不能做的事情。像接触式打印这样的直接写技术可以对多种生物材料进行图案化,但是不能创建具有亚细胞分辨率的特征。许多高分辨率光刻方法可以在亚微米分辨率下进行图案化,但是这些方法需要的高成本设备并非为生物分子沉积和细胞培养而设计。微接触印刷可以在环境条件下印刷生物分子,但无法通过纳米级套准对多种材料进行图案化。

    工业应用

    悬臂生物传感器使用4种不同的蛋白质进行功能化
    1. 生物传感器功能化-将多个捕获域直接放置在单个生物传感器设备上
    2. 纳米级传感器制造-小型高价值传感器,可以检测多个目标
    3. 纳米级蛋白质芯片-具有更高灵敏度的高密度蛋白质阵列

    新兴应用

    细胞工程

    浸笔式纳米光刻逐渐成为以亚细胞分辨率操纵细胞的强大研究工具

    • 干细胞分化
    • 亚细胞药物递送
    • 细胞分选
    • 表面渐变
    • 亚细胞ECM蛋白模式
    • 细胞粘附

    快速原型制作

    • 等离子和超材料
    • 细胞和组织筛选

    DPN属性

    直接写

    DPN是一种直接写入技术,因此可用于自上而下和自下而上的光刻应用。在自顶向下的工作中,尖端用于将抗腐蚀剂输送到表面,然后进行标准的腐蚀工艺。在自下而上的应用中,感兴趣的材料通过尖端直接传递到表面。

    独特优势

    • 定向放置-通过纳米级注册表将各种材料直接打印到现有的纳米和微结构上
    • 直接写入-无掩模创建任意图案,特征分辨率小至50 nm,大至10微米
    • 生物相容性-在环境沉积条件下亚细胞到纳米级的分辨率
    • 可扩展-不受力限制,允许平行沉积

    热浸笔光刻

    还已经证明了浸入式光刻技术的加热探针尖端版本,即热浸入式光刻技术(tDPL),用于沉积纳米颗粒。可以通过此方法将半导体、磁性、金属或光学活性纳米粒子写入基板。颗粒悬浮在PMMA或等效的聚合物基质中,并由探针尖端加热,直到它们开始流动。探针充当纳米笔,可以将纳米颗粒图案化为程序化的结构。取决于纳米颗粒的尺寸,获得了78-400nm的分辨率。O 2等离子体蚀刻可用于去除PMMA基质,在氧化铁纳米颗粒的情况下,可将线的分辨率进一步降低至10 nm。tDPL的独特优势在于,它是一种无掩模添加剂工艺,可实现非常窄的分辨率,并且无需特殊的溶液制备技术即可轻松写入多种类型的纳米颗粒。但是,此方法有局限性。纳米粒子必须小于聚合物的回转半径,在PMMA的情况下,约为6 nm。另外,随着纳米颗粒尺寸的增加,粘度增加,从而减慢了该过程。对于纯聚合物,沉积速度可以达到200μm/ s。添加纳米颗粒可将速度降低至2μm/ s,但仍比常规浸入式光刻法更快。

    束笔光刻

    (PDMS)可变形透明金字塔形尖端的二维阵列涂有一层不透明的金属层。然后将金属从金字塔的最顶端移走,留出一个小孔让光线通过。然后在整个表面上扫描该阵列,并通过微镜阵列将光引导到每个金字塔的底部,该微镜阵列将光集中到尖端。根据尖端和表面之间的距离,光以近场或远场方式与表面相互作用,从而可以制造亚衍射尺度特征(400 nm光线具有100 nm的特征)或更大的特征。

    常见的误解

    与其他技术的直接比较

    对DPN最经常的批评是构图速度。造成这种情况的原因更多是与将其与其他技术进行比较相比,而不是任何固有的弱点。例如,软光刻法微接触印刷(μCP)是低成本、台式微尺度和纳米级图案化的当前标准,因此很容易理解为什么直接将DPN与微接触印刷进行比较。问题在于,这些比较通常基于非常适合μCP的应用程序,而不是将它们与某些中立应用程序进行比较。μCP能够像光刻一样在单个冲压步骤中在大面积上对一种材料进行构图一次曝光即可在大面积上成像。与其他技术相比,DPN当然很慢。DPN是一种无掩模直接写入技术,可用于在单个基板上创建大小、形状和特征分辨率不同的多个图案。没有人会尝试将微接触印刷应用于这样的项目,因为那样一来,为每种新图案制造每个主印模就不需要花费时间和金钱。即使他们这样做了,微接触印刷也无法将具有纳米级套准的多个印章中的多种材料对齐。理解这种误解的xxx方法是考虑应用光刻和电子束光刻的不同方法。没有人会尝试使用电子束来解决光刻问题,然后声称电子束“太慢”。与光刻的大面积构图能力直接相比,电子束光刻的速度很慢,但是,电子束仪器可以在世界上每个实验室和纳米工厂中找到。其原因是因为电子束具有光刻无法比拟的独特功能,就像DPN具有微接触印刷无法比拟的独特功能一样。

    与原子力显微镜的连接

    浸笔式纳米光刻是直接从AFM演变而来的,因此人们常常以为任何商业AFM都能进行DPN实验就不足为奇了。实际上,DPN不需要AFM,并且AFM不一定具有真正的DPN功能。扫描电子显微镜(SEM)和电子束(E-beam)光刻技术是一个很好的类比。电子束是直接从SEM技术发展而来的,都使用聚焦电子束,但是在缺乏适当的光刻硬件和软件组件的SEM上无法进行现代电子束光刻实验。

    考虑DPN的独特特征之一,即其力量独立性也很重要。使用几乎所有墨水/基材组合,无论笔尖向下压在表面上的力度如何,都将图案化相同的特征尺寸。只要使用坚固的SiN吸头,就不需要复杂的反馈电子设备,不需要激光器,不需要四极光电二极管,也不需要AFM。


    浸笔式纳米光刻

    相关推荐

    纳米机电系统质谱仪

    目录 1 什么是纳米机电系统质谱仪什么是纳米机电系统质谱仪纳米机电系统质谱仪(NEMS-MS)是一种仪器通过检测由在所述颗粒的吸附的频移测量分析物颗粒的质量NEMS谐振器。 NEMS-MS是由加利福尼亚理工学院的Michael Roukes教授和Kamil Ekinci博士于1999年发明的。 在2001年的专利公开中首次记录了原子序图尺度质量敏感性。... (继续浏览)

    无掩模光刻

    目录 1 无掩模光刻 2 无掩模光刻的应用 ▪ 电子束 ▪ 光学 ▪ 聚焦离子束 ▪ 尖端接触 3 无掩模光刻的未来无掩模光刻无掩模光刻利用直接将信息转移到衬底上的方法,而无需利用中间静态掩模,即直接复制的光掩模。在微光刻中,辐射转移通常将时间常数掩模的图像投射到光敏乳剂(或光刻胶)上。传统上,掩模对准器、步进器、扫描仪以及其他用于高速复制微结构的非光学技术... (继续浏览)

    纳米机电继电器

    目录 1 纳米机电继电器 2 纳米机电继电器的操作 3 纳米机电继电器的制作 4 纳米机电继电器的应用 ▪ 机械计算 ▪ 现场可编程门阵列纳米机电继电器纳米机电继电器,是电致动的开关,其在内置纳米使用规模的半导体制造技术。它们被设计为替代传统半导体逻辑或与传统半导体逻辑结合使用。NEM继电器的机械特性使它们的开关速度比固态继电器慢得多,但它们具有许多有利的特... (继续浏览)

    纳米机电系统

    目录 1 纳米机电系统 2 纳米机电的材料 ▪ 碳同素异形体 ▪ 金属碳纳米管 ▪ 基于CNT的NEMS交换机 ▪ 纳米机电加速度计 ▪ 聚二甲基硅氧烷(PDMS) ▪ PDMS涂层压阻纳米机电系统膜片 3 纳米机电系统的未来 4 纳米机电系统的应用纳米机电系统纳米机电系统(NEMS)是一类在纳米级集成了电气和机械功能的设备。纳米机电系统由所谓的微机电系统或... (继续浏览)

    能源转型

    目录 1 什么是能源转型 2 定义“能源转型”一词 3 能源转型的研究历史什么是能源转型能源转型,是能量系统中的重大结构变化。从历史上看,这些变化是由对不同燃料的需求和可获得性驱动的。当前向可再生能源的过渡,也许还有其他类型的可持续能源的变化,在很大程度上是因为人们认识到必须将全球碳排放量降至零,而且由于化石燃料是xxx的单一碳排放源,我们必须在全球范围内改... (继续浏览)

    氢传感器

    目录 1 氢传感器 2 关键问题 ▪ 附加要求 3 微型氢传感器的类型 ▪ 光纤氢传感器 ▪ 其他类型 ▪ 增强氢传感器氢传感器是气体检测器,其检测存在氢。它们包含微型制造的点接触式氢传感器,用于定位氢泄漏。与传统的气体检测仪器相比,它们被认为是低成本、紧凑、耐用且易于维护的。 关键问题氢探测器有五个关键问题:可靠性:功能应易于验证。性能:检测空气中0... (继续浏览)

    燃料电池电动车

    目录 1 燃料电池电动车 2 车辆燃料电池的描述和用途 3 知名车型燃料电池电动车燃料电池电动车辆(FCEV)是一种电动车辆,它使用一个燃料电池,有时在组合具有小电池或超级电容器,电源其搭载电动机。车辆中的燃料电池通常利用空气中的氧气和压缩氢气来发电。大多数燃料电池汽车被归类为仅排放水和热量的零排放汽车。与内燃机车相比,氢气车将污染物集中在氢气生产现场氢通常... (继续浏览)

    氢经济

    目录 1 什么是氢经济 2 集中式生产与分布式生产 3 应用 ▪ 用于代替天然气的加热和烹饪 ▪ 燃料电池可替代内燃机和电池什么是氢经济氢经济是利用氢作为低碳燃料,特别是用于热 ; 但也可用于氢燃料汽车,季节性能量存储和长途运输能量。为了逐步淘汰化石燃料并限制全球变暖,氢开始被使用,因为它可以从水中产生,并且它的燃烧仅释放水而没有一氧化碳。氢是一种有力的燃料... (继续浏览)

    地热能

    目录 1 什么是地热能 2 经济学 3 可再生性和可持续性什么是地热能地热能是地球上产生和存储的热能。热能是决定物质温度的能量。地壳的地热能起源于行星的原始结构和物质的放射性衰变(目前不确定,但可能大致相等的比例)。形容词地热起源于希腊语γῆ(gê)(意为地球)和θερμός(thermós)(意为热)。 地球内部的热量是放射性衰变产生的热能,以及地球... (继续浏览)

    热液喷口

    目录 1 什么是热液喷口 2 物理性质 3 热液喷口的生物学什么是热液喷口热液喷口是一个裂隙从中海底地热加热水的问题。热液喷口通常在火山活动的地方,构造板块在扩散中心、海盆和热点地区分开的区域附近发现。热液矿床是由热液喷口作用形成的岩石和矿物矿床。 之所以存在热液喷口,是因为地球既具有地质活性,又在其表面和地壳内有大量的水。在海底、热液喷口可形成称为黑... (继续浏览)

    地热热泵

    目录 1 什么是地热热泵 2 热效率 3 地热热泵的安装什么是地热热泵地热热泵(GHP)是中央加热和/或冷却系统,将热量传递给或从地面。 它始终不间断地使用地球作为热源(在冬天)或散热器(在夏天)。这种设计利用了地面适中的温度来提高效率并降低加热和冷却系统的运营成本,并且可以与太阳能加热相结合以形成效率更高的地热系统。它们也以其他名称而闻名,包括地交换... (继续浏览)

    地热勘探

    目录 1 什么是地热勘探 2 探索方法 ▪ 钻孔 ▪ 地球物理学 ▪ 地震学 ▪ 重力 ▪ 磁学什么是地热勘探地热勘探是指对地下进行勘探,以寻找可行的活跃地热区域,目的是建立一个地热发电厂,在这里热流体驱动涡轮机发电。勘探方法包括地质学,地球物理学,地球化学和工程学等广泛学科。 在裂谷带,俯冲带和地幔柱中发现了具有足够热量输送给燃料电厂的地热区。 热点... (继续浏览)

    太阳能辅助热泵

    目录 1 太阳能辅助热泵 2 性能优化 3 系统配置 4 比较 ▪ 分开的生产系统 ▪ 传统热泵 5 低温条件 6 具有双重冷源的热泵太阳能辅助热泵太阳能辅助热泵(SAHP)是表示一体化的机器热泵和热太阳能电池板在一个单一的集成系统。通常,这两种技术分开使用(或仅将它们并行放置)以产生热水。在该系统中,太阳能热板执行低温热源的功能,产生的热量用于向热泵的蒸发... (继续浏览)

    增强型地热系统

    目录 1 增强型地热系统 ▪ 概述增强型地热系统增强型地热系统(EGS)生成地热发电,而不需要自然对流热液资源。直到最近,地热发电系统仅利用自然产生的热量,水和岩石的渗透性足以进行能量提取的资源。然而,到目前为止,常规技术范围内的大多数地热能都在干燥且不可渗透的岩石中。增强型地热系统技术通过多种刺激方法(包括“液压刺激”)增强和/或创造了热干岩(HDR)中的... (继续浏览)

    再生能源

    目录 1 再生能源 2 融入能源系统 ▪ 电能存储再生能源可再生能源是从可再生资源中收集的能量,可再生资源以人类的时间尺度自然补充,如阳光、风、雨、潮汐、波浪和地热。可再生能源通常在四个重要领域提供能源:发电、空气和水的加热 / 冷却、运输和农村(离网)能源服务。 根据REN21的2017年报告,可再生能源在2015年和2016年分别占人类全球能源消耗... (继续浏览)

    涡激振动

    目录 1 涡激振动 2 动机 3 锁定范围 4 当前状态涡激振动在流体动力学,涡激振动(VIV)是诱导的运动机构与外部相互作用的流体流动,通过产生的-或产生运动- 周期性凹凸上该流程。 一个典型的例子是水下圆筒的VIV。通过将圆柱体放入水中(游泳池、甚至是水桶)并沿垂直于其轴线的方向在水中移动,您可以看到这种情况。由于实际流体始终呈现某种粘度,因此圆柱... (继续浏览)

    乐高火车

    目录 1 乐高火车 2 乐高社区乐高火车乐高火车(Lego Trains)是建筑玩具乐高(Lego)的产品系列和主题,玩具内置可建造的火车。乐高主题火车成为一个副主题的乐高城市在2006年的产品范围已包括机车、轨道、车辆、站、信号箱,以及其他轨道旁的建筑物。这个主题在成年粉丝和儿童中都很受欢迎,并催生了国际协会和公约。相对于传统的模型铁路秤、火车系统有时在粉... (继续浏览)

    彩弹射击

    目录 1 彩弹射击 2 游戏性 ▪ 电子竞技彩弹射击彩弹射击彩弹射击是一项颇具竞争力的团队射击运动,在这种运动中,玩家使用充满染料的球形明胶胶囊(称为彩弹射击)击打对手,从而将对手击退。彩弹射击通常使用称为“ 彩弹射击”的低能耗空中武器进行射击,这些弹药由压缩空气(氮气)或二氧化碳提供动力,最初设计用于对树木和牲畜进行远程标记。 该游戏最初于1981年... (继续浏览)

    涡流管

    目录 1 什么是涡流管 2 操作方法 ▪ 基本方法:物理学 ▪ 现象学方法 3 涡流管的效率 4 涡流管的应用 ▪ 当前的应用什么是涡流管涡流管,也被称为兰克-赫尔胥涡流管,是一种机械装置,一个分离的压缩气体进入热流和冷流。从“热”端出来的气体可以达到200 °C  (392 °F)的温度,从“冷端”出来的气体可以达到−50°C(-58°F)。它没有活动部件... (继续浏览)

    空气制动

    目录 1 什么是空气制动 ▪ 概述 ▪ 直型空气制动器 ▪ 西屋空气制动器 2 增强功能 3 标准化什么是空气制动空气制动是一个铁路制动动力的制动系统的压缩空气作为工作介质。现代火车依赖于故障安全的空气制动系统,该系统基于1869年4月13日乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)申请专利的设计。随后,西屋豪斯空气制动公司组织起来制造和销售... (继续浏览)