دانشمندان میکوشند روشهایی ابداع کنند که بتوان با آنها سطوحی در مقیاس 1 تا 100 نانومتر را شکل داد. چنین دستاوردی برای فناوری نانو بسیار مهم و بنیادی است، زیرا دانشمندان رشتههای مختلف مانند الکترونیک، داروسازی یا تشخیص بیماریها را برای ورود به دنیای نانو توانمند میسازد. پس از اختراع میکروسکوپ تونلزنی اتمی (STM) و به دنبال آن میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) متخصصان زیادی کوشیدهاند طرحهایی را با مشقت فراوان توسط بازوهای ظریف این میکروسکوپها اتم به اتم بچینند. نمونههایی از این طرحها در شکل زیر دیده میشوند. این کار زمان زیادی میبرد و برای انجام آن باید خلأ بسیار بالا و دمای پایین ایجاد کرد.
گروه دیگری از متخصصان، از STM و AFM برای خراشیدن یا ایجاد واکنش اکسیداسیون در سطوح نانویی استفاده کردهاند. این تکنیکها کاربردهای مهمی دارند، اما متأسفانه اکسیداسیون را تنها بر سطوح خاصی از فلزات و نیمههادیها به وجود میآورند و به علاوه نمیتوان بهراحتی آنها را برای ایجاد چند لایه روی هم به کار گرفت.
«نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته» که به طور خلاصه DPN نامیده میشود، روش نوینی برای طراحی سیستمها در مقیاس نانومتری است. در این روش یک سوزن بسیار نوکتیز، مواد شیمیایی (جوهر) را روی سطح مورد نظر مینشاند. با این روش، که شبیه استفاده از پر برای نوشتن است، نقشهایی به ریزی چند ده نانومتر قابل ترسیماند. همچنین میتوان انواع گوناگونی از جوهرها، از پوششهای فلزی گرفته تا ذرات نانومتری یا مولکولهای زیستی را در شرایط کنترلشده به کار گرفت.
نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته چیست؟
این روش توسط «سی میرکین» و همکارانش در دانشگاه «نورث وسترن» ابداع شد. آنها توانستند مولکولها را در فرآیندی قابل کنترل با استفاده از نوک سوزن یک میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطح بنشانند. این روش در شکل زیر نشان داده شده است.
در کارهای اولیهای که به روش DPN انجام میشد، مولکول آلی «تایول» و سطح طلا به کار میرفتند (شکل 2). با استفاده از این سیستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. بهویژه معلوم گردید که پخش جوهر بر روی سطح، برای این سیستم، به عوامل محیطی مانند دما و رطوبت وابسته است. متخصصان با کنترل این عوامل موفق به دستیابی به دقت بیشتر در ترسیم شدند. علاوه بر این، محققان توانستند لایهای به ارتفاع فقط یک مولکول، به تفکیک 12 نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.
مقصود از تفکیک حداقل فاصله قابل رعایت بین دو نقطه در طرح است، به طوری که دو نقطه از هم قابل تجزیه باشند. این مفهوم معادل قدرت تفکیک در چاپگرهاست.
شکل 2: نقش جوهر بر روی طلا که با استفاده از نانولیتوگرافی قلم آغشته در سرعتهای متفاوت نگاشته شدهاند. (سرعتها از چپ به راست: 0.8، 0.6، 0.4، 0.2 و 0.1 میکرومتر بر ثانیه)
قدرت بینظیر DPN و قابلیتهای وسیع آن، توجه محققان زیادی را به خود جلب کرد. آنها دست به آزمایشهای زیادی با این تکنیک زدند. در نتیجه این تحقیقات، آنها متوجه شدند فرآیند DPN برای تعداد زیادی از مولکولها به عنوان جوهر قابل انجام است: سورفکتانتها، مولکولهای بزرگِ باردار مانند پروتئینها و پولیمرها، مواد تشکیلدهنده سلژل، اکسیدهای فلزی و حتی نانوذرات (شکل زیر را ببینید). سطوح قابل استفاده شامل فلزات (مانند طلا اگر از تیول به عنوان جوهر استفاده شود)، نارساناها (مانند اکسید آلومینیوم یا اکسید سیلیکون) و نیمهرساناها (مانند آرسنید گالیم) هستند.
سورفَکتانتها موادی آلی هستند، دارای یک سر قطبی (آبگریز) و یک سر غیرقطبی (آبدوست). سر قطبی در آب محلول است، اما سر غیر قطبی در آب حل نمیشود و به همین علت این مواد همیشه به سطح آب میآیند و چون سطح آب محدود است، این مولکولها یک لایه نازکِ بههمفشرده و منظم را تشکیل میدهند. به این خاصیت «خودساماندهی» میگویند. انواع مواد شوینده از این نوعاند. در مواد شوینده سر غیرقطبی به چربیها و روغنها میچسبد و در نتیجه میتوانیم آنها را با آب بشوییم.
شکل 3 : نمونههایی از مواد شیمیایی که به عنوان جوهر در نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته به کار گرفته شدهاند.
تواناییهای منحصربهفرد فرآیند DPN آن را به روشی پیشرو برای ترسیم نقوش با تفکیک بالا در ابعاد نانومتری تبدیل میکند. در بین روشهایی که برای ابعاد زیر 50 نانومتر قابل استفادهاند، مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی، DPN تنها ابزاری است که میتواند مولکولها را به طور مستقیم در شرایط کنترلشده روی سطح بنشاند. در حقیقت، از آنجا که ابزارهای DPN از میکروسکوپهای پیمایشی استفاده میکنند، میتوانند عملیات ترسیم نقوش و تصویربرداری را همزمان انجام دهند. مسئله مهم در اینجا تولید نقوش پیچیده در ابعاد نانومتری نیست؛ مسئله مهمتر این است که بتوان این نقوش را که ممکن است ملزم به پیادهسازی در چند مرحله مجزا باشند به دقت نسبت به هم تثبیت کرد. محققان با استفاده از DPN توانستهاند نقوش مختلف را با استفاده از جوهرهای مختلف با خطای کمتر از 5 نانومتر روی هم رسم کنند.
برای جمعبندی میتوانیم بگوییم که نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته، مزایای زیر را دارد:
1. قدرت تفکیک بالا. ترسیم نقوشی به کوچکی 12 نانومتر، با دقت 5 نانومتر و قابل تطبیق بر نقوش لایههای بعدی؛
2. بینیاز از خلأ. برای انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزن AFM، کافی است شرایط محیطی محصورشدهای فراهم کنیم. بر خلاف برخی روشهای دیگر، در این روش ترسیم به خلأ نیازی نیست. این خاصیت بهویژه در مورد مولکولهای زیستی که در خلأ آسیب میبینند بسیار مهم است؛
3. قدرت ترسیم مستقیم. مواد مورد نظر میتوانند دقیقاً (و فقط) در جایی که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسیمشده به این روش، به عنوان فیلتر فوتورزیست برای فرآیندهای میکروالکترونیک استاندارد قابل استفاده اند؛
4. امکان به کارگیری مواد گوناگون. در نقشهای ترسیمی با DPN میتوان از انواع متنوع جوهر بر روی سطوح مختلف استفاده کرد؛
5. قابلیت هدایت خودکار. این روش را میتوان بهراحتی و با برنامهریزی ماشینهای موجود به طور خودکار پیاده کرد.
این برتریها، DPN را روشی بسیار سودمند برای توسعه لیتوگرافی در ابعاد نانومتری ساخته است. در مقیاس آزمایشگاهی، این تکنیک میتواند همه کارآییهای سایر روشهای لیتوگرافی را داشته باشد. اما حوزههای گوناگون صنعت هم میتوانند با استفاده از این روش به تولید صنعتی محصولات جدید بپردازند. در ادامه به چند کاربرد این تکنیک که احتمال صنعتی شدن آن زیاد است، اشاره میکنیم.