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Eine Abkürzung zu Designer-Nanostrukturen
Eine neue Nanolithographie-Methode könnte die Kosten für die Herstellung experimenteller Computerchips für die Elektronikforschung und Arrays von Biomolekülen für die Zellbiologie senken. Das Verfahren ermöglicht es, mit großen Anordnungen von auf Federn sitzenden Silikonstiften feine Materialmuster abzuscheiden oder wegzuschnitzen; Es kombiniert die Fähigkeit, beliebige Designs mit nanoskaligen Merkmalen zu strukturieren, mit der Fähigkeit, schnell und über relativ große Bereiche zu arbeiten.
Nanodot-Design: Die Punkte, aus denen dieses Bild besteht, das die Pyramide eines US-Dollar-Scheins zeigt, sind 150 Nanometer voneinander entfernt. Ein Array dieser Pyramidenbilder von jeweils 30 mal 33 Mikrometern wurde auf einem Goldfilm unter Verwendung eines neuen Nanolithographieverfahrens hergestellt.
Die gängigsten Methoden zur Herstellung kundenspezifischer Nanostrukturen sind die Dip-Pen-Lithographie, bei der Moleküle mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops abgeschieden werden, und die Elektronenstrahllithographie, bei der sie mit Elektronenstrahlen weggeschnitten werden. Mit beiden Methoden können Forscher neue Designs mit nanoskopischen Merkmalen realisieren, sind aber unglaublich zeitaufwändig und teuer.
Für das letzte Jahrzehnt, Tschad Mirkin , Professor für Chemie an der Northwestern University, hat an Wegen gearbeitet, um die Kosten und den Zeitaufwand für die Herstellung im Nanomaßstab zu reduzieren. Mirkin erfand 1999 die Dip-Pen-Lithographie; 2008 entwickelte er einen praktischeren Ansatz mit Polymerstiften anstelle von Mikroskopspitzen. Die Stifte sind billiger als die Mikroskopspitzen, einfacher zu handhaben und arbeiten auf größeren Flächen. Diese Stiftarrays können mit verschiedenen molekularen Tinten an ihren Spitzen besprüht und dann am beweglichen Arm eines Rastersondenmikroskops befestigt werden, um Designs nachzuzeichnen. Polymer-Stift-Arrays sind jedoch nicht sehr gut darin, nanoskalige Merkmale zu strukturieren, da die Spitze des Stifts weich ist. Du kannst nur so klein werden, sagt Mirkin.
Jetzt hat Mirkin ein Array entwickelt, das ähnlich funktioniert, aber viel kleinere Features erstellen kann. Wenn sie mit einem Rastersondenmikroskop über eine Oberfläche geschoben werden, können die neuen Arrays – aus harten Siliziumspitzen, die auf einer federnden Polymerrückseite befestigt sind – entweder Moleküle ablagern, um Nanostrukturen zu erzeugen, oder wie winzige elektrische Meißel wirken, die Material wegschneiden. Es ist diese Kombination aus der harten, feinen Silikonspitze mit der Nachgiebigkeit der darunterliegenden Polymerschicht, die eine höhere Auflösung ermöglicht. Mirkin nennt das Verfahren Hard-Tip-Soft-Spring-Lithographie.
Diese Woche im Journal Natur , berichtet Mirkin, diese Methode zu verwenden, um Muster mit Merkmalen zu erstellen, die kleiner als 50 Nanometer sind. In einer Demonstration verwendeten die Forscher die Arrays, um 30 mal 30 Mikrometer große Nachbildungen der Pyramide auf dem US-Dollar-Schein auf Goldfilmen herauszuarbeiten. Das Drucken einer Quadratzentimeterfläche dieser Pyramiden dauerte etwa 200 Minuten. Sie druckten auch Muster mit Biomolekülen und elektrischen Materialien.
Dieser Fortschritt hat gute Chancen, die Scanning-Probe-Lithographie von der akademischen [Anwendung] zu einem wichtigen Produktions- und Prototyping-Tool zu machen, das in der Halbleiter- und Biotechnologieindustrie weit verbreitet ist, sagt Joseph DeSimone , Professor für Chemie an der University of North Carolina in Chapel Hill.
Eine wahrscheinliche Anwendung für die Lithografietechnik ist die Produktion kleiner Stückzahlen spezieller Computerchips, sagt DeSimone. Es besteht eine steigende Nachfrage nach Chips in kleinen Chargen zum Testen neuer Schaltungsdesigns sowie nach spezialisierten Chips für Nischenanwendungen, insbesondere im Militär. Die Herstellung eines neuen Chips erfordert die Herstellung einer neuen Maske, die einem fotografischen Negativ entspricht, mit dem die Schaltkreise auf einem Wafer strukturiert werden. Es gibt einen enormen ungedeckten Bedarf, Chips mit maskenlosen Ansätzen herzustellen, sagt DeSimone.
Auf kurze Sicht, sagt Mirkin, werden Zellbiologen wahrscheinlich Anwendungen für die Technik in ihren Labors finden. Die Technik könnte ihnen helfen zu verstehen, wie zelluläre Interaktionen im Nanomaßstab die Differenzierung von Stammzellen und die Ausbreitung von Krebs im ganzen Körper kontrollieren, sagt er. Mit diesem Ansatz könnten große Arrays mit Hunderttausenden von Zellen bedeckt werden, um statistisch signifikante Informationen darüber zu erhalten, wie sie auf diese räumlich gemusterten chemischen Signale reagieren.
Mailand Mrksich , Chemieprofessor an der University of Chicago, sagt, Mirkins neue Lithographie-Technik könnte ganz neue Forschungsgebiete ermöglichen. Es könnte beispielsweise neue Studien zur Zelladhäsion ermöglichen. Biologen wissen, dass die Anhaftung einer Zelle an einer Oberfläche durch winzige Nanostrukturen, sogenannte fokale Adhäsionen, bestimmt wird, die in ihrer Größe variieren. Diese sind wichtig, denn wenn die Zelladhäsion zusammenbricht, kann sich eine Krebszelle von einem Tumor lösen und sich im ganzen Körper ausbreiten. Mrksich sagt, gemusterte Arrays, die mit Mirkins Technik hergestellt wurden, könnten Zellbiologen zeigen, wie die Größe der fokalen Adhäsionen das Zellverhalten reguliert.
Diese Methode sollte vielen weiteren Forschern Möglichkeiten zur Desktop-Fertigung eröffnen, sagt Mirkin. Eine Firma namens Nano-Tinte hat frühere Lithographiemethoden aus seinem Labor kommerzialisiert. Er sagt, dass die Universität wahrscheinlich die Nanolithographie-Methode an ein Unternehmen lizenzieren wird, nicht unbedingt an Nano Ink. Herrksich ist auch im wissenschaftlichen Beirat dieses Unternehmens.