Esta imagen de microscopio de fuerza atómica muestra el autoensamblaje dirigido de una línea impresa de copolímero de bloques en una plantilla preparada por fotolitografía. La imagen fue coloreada y escalada por el software del microscopio. La densidad de los patrones en la plantilla (delimitada por las líneas finas) es dos veces mayor que la de las estructuras autoensambladas (las cintas). Crédito:Serdar Onses / UIUC
Un equipo multiinstitucional de ingenieros ha desarrollado un nuevo enfoque para la fabricación de nanoestructuras para las industrias de semiconductores y almacenamiento magnético. Este enfoque combina la tecnología de impresión por chorro de tinta avanzada de arriba hacia abajo con un enfoque de abajo hacia arriba que involucra copolímeros de bloque autoensamblados, un tipo de material que puede formar espontáneamente estructuras ultrafinas.
El equipo, compuesto por nueve investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Chicago y la Universidad Hanyang en Corea, fue capaz de aumentar la resolución de su intrincada estructura de fabricación de aproximadamente 200 nanómetros a aproximadamente 15 nanómetros. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, el ancho de una molécula de ADN de doble hebra.
La capacidad de fabricar nanoestructuras a partir de polímeros, ADN proteínas y otros materiales "blandos" tienen el potencial de permitir nuevas clases de componentes electrónicos, dispositivos de diagnóstico y sensores químicos. El desafío es que muchos de estos materiales son fundamentalmente incompatibles con el tipo de técnicas litográficas que se utilizan tradicionalmente en la industria de los circuitos integrados.
Las técnicas de impresión por chorro de tinta de ultra alta resolución desarrolladas recientemente tienen cierto potencial, con resolución demostrada de hasta 100-200 nanómetros, pero existen desafíos importantes para lograr una verdadera dimensión a nanoescala. "Nuestro trabajo demuestra que los procesos de autoensamblaje de polímeros pueden proporcionar una forma de evitar esta limitación, "dijo John Rogers, el Profesor de la Cátedra Swanlund en Ciencia e Ingeniería de Materiales en Illinois.
Rogers y sus asociados informan sobre sus hallazgos en la edición de septiembre de Nanotecnología de la naturaleza . La combinación de la impresión por chorro con copolímeros de bloque autoensamblantes permitió a los ingenieros alcanzar una resolución mucho más alta, como sugiere el autor principal Serdar Onses, un científico postdoctoral en Illinois. Onses obtuvo su doctorado en la Universidad de Wisconsin con Paul Nealey, ahora es profesor Brady W. Dougan de Ingeniería Molecular en UChicago y coautor del artículo Nature Nanotechnology. "Este concepto resultó ser realmente útil, "Dijo Rogers.
Los ingenieros utilizan materiales de autoensamblaje para aumentar los procesos fotolitográficos tradicionales que generan patrones para muchas aplicaciones tecnológicas. Primero crean un patrón topográfico o químico utilizando procesos tradicionales. Para el artículo Nature Nanotechnology, esto se hizo en imec en Bélgica, un centro de investigación de nanoelectrónica independiente. El laboratorio de Nealey fue pionero en este proceso de autoensamblaje dirigido de copolímeros de bloque utilizando nanopatrones químicos.
Los investigadores pintaron esta imagen de mariposa hecha de películas de copolímero en bloque utilizando impresión e-jet (impresión por chorro electrohidrodinámico). La película consta de componentes intrincadamente impresos de dos pesos moleculares diferentes, que muestran diferentes tamaños y espaciado a una escala de decenas de nanómetros (una milmillonésima parte de un metro). La mariposa en su diámetro más ancho en las puntas de las alas mide aproximadamente 250 micrones, el ancho de unos pocos cabellos humanos sentados cómodamente uno al lado del otro. Crédito:Serdar Onses / UIUC
Acercándose a los límites
La resolución del patrón químico se acerca al límite actual de la fotolitografía tradicional, señaló Lance Williamson, estudiante de posgrado en ingeniería molecular en UChicago y coautor del artículo Nature Nanotechnology. "Imec tiene la capacidad de realizar la fotolitografía a esta escala en grandes áreas con alta precisión, "Dijo Williamson.
De vuelta en la Universidad de Illinois, Los ingenieros colocan un copolímero de bloque encima de este patrón. El copolímero de bloque se autoorganiza, dirigido por la plantilla subyacente para formar patrones que tienen una resolución mucho más alta que la plantilla en sí.
El trabajo anterior se ha centrado en la deposición y montaje de películas uniformes en cada oblea o sustrato, resultando en patrones con esencialmente solo un tamaño de rasgo característico y espaciado entre rasgos. Pero las aplicaciones prácticas pueden necesitar copolímeros de bloques de múltiples dimensiones modelados o colocados espacialmente sobre una oblea.
"Esta invención, utilizar la impresión por inyección de tinta para depositar diferentes películas de copolímero en bloque con alta resolución espacial sobre el sustrato, es altamente habilitante en términos de diseño y fabricación de dispositivos, ya que puede realizar diferentes estructuras de dimensiones, todo en una capa, "Dijo Nealey." Además, los diferentes patrones de dimensión pueden en realidad estar dirigidos para ensamblar con la misma plantilla o con diferentes plantillas en diferentes regiones ".
Un técnico se sienta en un sistema de vías en imec Bélgica, un centro de investigación de microelectrónica nanoelectrónica independiente. El sistema cubre, hornea y desarrolla películas delgadas de polímero sobre obleas de silicio, que son pasos críticos en la fabricación de muestras que imec proporciona al grupo de investigación de Paul Nealey en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. Crédito:Copyright imec
Beneficios de la impresión e-jet
La forma avanzada de impresión por chorro de tinta que utilizan los ingenieros para depositar localmente los copolímeros en bloque se denomina electrohidrodinámica. o impresión e-jet. Funciona de forma muy parecida a las impresoras de inyección de tinta que utilizan los trabajadores de oficina para imprimir en papel. "La idea es el flujo de materiales desde pequeñas aberturas, excepto que el e-jet es especial, versión de alta resolución de impresoras de inyección de tinta que pueden imprimir características de hasta varios cientos de nanómetros, ", Dijo Onses. Y debido a que el e-jet puede manejar tintas fluidas de forma natural, es excepcionalmente adecuado para modelar suspensiones de nanotubos en solución, nanocristales, nanocables y otros tipos de nanomateriales.
"El aspecto más interesante de este trabajo es la capacidad de combinar técnicas 'de arriba hacia abajo' de impresión por chorro con procesos 'de abajo hacia arriba' de autoensamblaje, de una manera que abre nuevas capacidades en litografía, aplicable tanto a materiales duros como blandos, "Dijo Rogers.
"Las oportunidades están en la formación de estructuras con patrones de nanomateriales para permitir su integración en dispositivos reales. Soy optimista acerca de las posibilidades".
