موضوع مقاله: لیتوگرافی پروب روبشی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # لیتوگرافی پروب روبشی | مقدمه: لیتوگرافی پروب روبشی لیتوگرافی پروب روبشی ( SPL ) در واقع مجموعه‌ای از روش‌های نانولیتوگرافی است.که برای ایجاد الگو روی مواد در مقیاس نانو،از پروب‌های روبشی استفاده می کند. | ## بخش 1: لیتوگرافی پروب روبشی | این یک روش به صورت مستقیم نویسی انجام می شود،یعنی بدون ماسک و با قابلیت نوشتن مستقیم است و از محدودیت پراش نور هم عبور می‌کند؛ به همین خاطر می‌تواند به دقت هایی کمتر از 10 نانومتر برسد. این یک فناوری لیتوگرافی جایگزین در نظر گرفته می‌شود و معمولا در محیط‌های دانشگاهی و تحقیقاتی کاربرد دارد. اصطلاح «لیتوگرافی پروب روبشی» از زمانی رایج شد که اولین آزمایش های الگوگذاری با میکروسکوپ‌های پروب روبشی (SPM) در اواخر دهه 1980 انجام شد. پس از اولین الگوگذاری‌های موفق با میکروسکوپ‌های پروبی روبشی معرفی شد و به‌تدریج به‌عنوان یک فناوری جایگزین و دقیق برای تحقیقات نانومقیاس مطرح شد. طی سال‌های اخیر، به دلیل توانایی این روش در کار با طیف گسترده‌ای از مواد و قابلیت کنترل نانومتری، کاربرد آن در نانوالکترونیک، طراحی مواد پیشرفته، و ساخت الگوهای سه‌بعدی پیچیده گسترش یافته است و همچنان یکی از ابزارهای کلیدی در پژوهش‌های مرتبط با فناوری نانو محسوب می‌شود. طبقه‌بندی روش های مختلف SPL را می‌توان از چند دیدگاه دسته بندی کرد: اینکه هدف هدف فرآیند اضافه کردن یا حذف ماده باشد، اینکه ماهیت این فرآیند (شیمیایی یا فیزیکی)، و همچنین اینکه نیروی محرک تعامل پروب و سطح در هنگام الگو سازی چه چیزی باشد؛مثلا: مکانیکی ، حرارتی ، انتشاری و الکتریکی . هر کدام از این مکانیسم‌ها امکان ایجاد الگوهای متفاوتی را فراهم می‌کنند و بسته به جنس ماده و نوع کاربرد مورد استفاده قرار می‌گیرند. نمای کلی مکانیکی/ترمومکانیکی لیتوگرافی پروب روبشی مکانیکی یا m-SPLدر اصل نوعی نانوماشین‌کاری یا نانوخراش در مقیاس نانو می باشد. در مقابل،SPL ترمومکانیکی از ترکیب نیروی مکانیکی همراه با گرما استفاده میکند؛مثلاً برای ایجاد فرورفتگی بر روی پلیمرها درسیستم های حافظه ای مثل حافظه هزارپا استفاده می شود.این رویکرد بعدها در سایر پروژه‌های نانومقیاس نیز به‌کار گرفته شد و نشان داد که ترکیب گرما و نیرو می‌تواند یک روش مؤثر برای ایجاد الگوهای پایدار و کم‌عمق روی مواد مختلف باشد. به‌ویژه در پلیمرهای حساس به دما، استفاده از پروب گرم‌شونده باعث کاهش مصرف نیرو و افزایش یکنواختی الگوهای ایجادشده می‌شود، موضوعی که مزیت مهمی نسبت به روش‌های کاملاً مکانیکی به شمار می‌آید. قلم غوطه‌وری/قلم غوطه‌وری حرارتی در لیتوگرافی پروبی حرارتی یا t-SPL، از یک پروب قابل‌گرمایش استفاده می‌شود. این گرما کمک می‌کند مادهٔ سطح به‌صورت کارآمد برداشته شود، بدون اینکه لازم باشد نیروی مکانیکی شدیدی وارد کنیم. عمق الگوگذاری هم قابل کنترل است و می‌توان با آن ساختارهای سه‌بعدی بسیار دقیق تولید کرد. استفاده از پروب‌های قابل‌گرمایش در این روش باعث می‌شود فرآیند برداشت ماده با دقت بیشتری کنترل شود و تغییرات سطحی تنها در ناحیه‌ای که حرارت اعمال می‌شود اتفاق بیفتد. | ## بخش 2: لیتوگرافی پروب روبشی | این ویژگی امکان تنظیم عمق و سرعت الگوگذاری را فراهم می‌کند و پایداری بیشتری نسبت به روش‌های مکانیکی به همراه دارد. کنترل دقیق گرما همچنین اجازه می‌دهد تا مواد حساس یا لایه‌های نازک بدون ایجاد تنش مکانیکی اضافی اصلاح یا الگوگذاری شوند. ترموشیمیایی لیتوگرافی پروب روبشی ترموشیمیایی (tc-SPL)که گاهی با نام نانولیتوگرافی ترموشیمیایی (TCNL) نیز شناخته می شود،روشی است که در آن از نوک‌های پروب روبشی برای ایجاد واکنش‌های شیمیایی فعال‌شده توسط حرارت استفاده می گردد. هدف از این واکنش ها،تغییر عملکرد شیمیایی یا فاز موادسطح های نمونه است.کاربرد این نوع لیتوگرافی برای انجام واکنش های فعال شده حرارتی بر روی مواد مختلفی هم چون پروتئین‌ها ، نیمه‌رساناهای آلی ، پلیمرهای مزدوج الکترولومینسانس ، و مقاومت‌های نانوروبان اثبات شده است. همچنین ،توانایی این تکنیک در انجام فرایند هایی مانند محافظت‌زدایی از گروه‌های عاملی (که گاهی اوقات شامل گرادیان‌های دمایی می‌شود)، کاهش اکسیدها، و تبلور سرامیک‌های پیزوالکتریک/فروالکتریک نیز به نمایش گذاشته شده است.نانولیتوگرافی حرارتی-شیمیایی (TCNL) به طور خاص، با اعمال گرمای موضعی و کنترل‌شده از طریق نوک پروب، یک میکرو/نانورآکتور شیمیایی کوچک ایجاد می‌کند. این گرما به طور دقیق فعال‌کننده واکنش‌های شیمیایی در زیر نوک است و امکان تغییرات شیمیایی یا فازی را در یک ناحیه بسیار محدود، با دقتی در حد چند نانومتر فراهم می‌سازد. این تکنیک امکان نوشتار مستقیم (Direct-write) الگوهای بسیار ریز را بدون نیاز به مواد میانی مانند رزیست‌ها (Resists) یا فرآیندهای پیچیده پس از لیتوگرافی فراهم می‌کند و مستقیماً سطوح را برای کاربردهای مورد نظر، مانند ساخت قطعات نانوالکترونیک، آماده می‌سازد. حرارتی نانولیتوگرافی قلم غوطه‌وری (DPN) که با عنوان لیتوگرافی پروب روبشی قلم غوطه‌وری (dp-SPL) نیز شناخته می شود، یک روش لیتوگرافی پروب روبشی است که برا اساس پدیده انتشار (Diffusion)عمل میک کند.در این روش، نوک پروب به عنوان یک "قلم" عمل کرده و با رسوب دهی جوهرهای مایع مختلف،الگوهایی را بر روی سطوح گوناگون ایجاد می نماید. نوع پیشرفته آن،نانولیتوگرافی قلم غوطه‌وری حرارتی (TDPN) یا لیتوگرافی پروب روبشی قلم غوطه وری حرارتی، دامنه جوهر های قابل استفاده را گسترش داده و شامل مواد جامد نیز می کند.درTDPN،پروب ها پیش از تماس،گرم می شوند تا جوهر جامد به حالت مایع در آمده و سپس بر روی سطح نشانده شود. نانولیتوگرافی قلم غوطه‌وری (DPN) که نوعی روش نوشتار مستقیم است، از خاصیت انتشار کنترل‌شده‌ی مولکول‌ها از نوک پروب (مانند قلم) به سطح زیرین در حضور رطوبت استفاده می‌کند. این روش به دلیل توانایی‌اش در نشاندن مولکول‌های بیولوژیکی و آلی، در حوزه‌ی بیوتکنولوژی کاربرد فراوان دارد. در مقابل، نانولیتوگرافی قلم غوطه‌وری حرارتی (TDPN)، با بهره‌گیری از گرمای نوک، به جای اتکا به رطوبت محیط، انتشار حرارتی را تسهیل می‌کند. این قابلیت حرارتی به TDPN اجازه می‌دهد تا مواد جامد غیرفرّار را ذوب کرده و در حالت مایع رسوب دهد، و بدین ترتیب، تنوع مواد قابل استفاده (شامل فلزات، پلیمرها و سرامیک‌ها) را به شکل چشمگیری گسترش می‌دهد. اکسیداسیون نانولیتوگرافی اکسیداسیون موضعی (LON) که همچنین تحت عناوینی نظیر لیتوگرافی پروب روبشی اکسیداسیون (o-SPL)، نانو-اکسیداسیون یا لیتوگرافی اکسیداسیون توسط AFM معرفی می‌شود، بر محدودسازی دقیق واکنش اکسیداسیون در فضای کوچک متکی است. | ## بخش 3: لیتوگرافی پروب روبشی | اساس کار به این صورت است که با اعمال یک ولتاژ موضعی بین نوک پروب و سطح، رشد اکسیداسیون صرفاً به ناحیه‌ای بسیار محدود هدایت شده و ساختارهای نانومتری دقیقی روی سطح ایجاد می‌گردد. این تکنیک به‌ویژه در ساخت ریزساختارهای نیمه‌رساناها و مواد سرامیکی بسیار پرکاربرد است. تعصب القا شده لیتوگرافی پروب روبشی القای ولتاژ (b-SPL) فرآیندی است که از میدان‌های الکتریکی با شدت بالا که در رأس نوک پروب روبشی شکل می‌گیرند، بهره می‌برد. این میدان‌ها در نتیجه اعمال ولتاژ بین نوک و نمونه به وجود می‌آیند و وظیفه‌شان تسهیل و محصور کردن واکنش‌های شیمیایی متنوعی است که منجر به تجزیه گازها یا مایعات می شوند.از این طریق، می‌توان به صورت موضعی و کنترل‌شده، مواد را مستقیماً روی سطوح رسوب داده و ساختارهای دلخواه را پرورش داد. القای جریان در لیتوگرافی پروب روبشی القای جریان (c-SPL)، علاوه بر استفاده از میدان‌های الکتریکی قوی نوک پروب SPM، از یک جریان الکترونی متمرکز که از نوک ساطع می‌شود نیز برای ایجاد الگوهای نانومتری بهره گرفته می‌شود. این جریان الکترونی نقش کلیدی در فرآیند الگوبرداری دارد و کاربرد این روش برای ساخت ریزساختارها در موادی نظیر پلیمرها و شیشه‌های مولکولی ،مورد توجه قرار گرفته است. مغناطیسی تکنیک‌های متنوعی از پروب روبشی توسعه یافته‌اند تا بتوانند الگوهای مغناطش را در ساختارهای فرومغناطیسی بنویسند؛ این روش‌ها اغلب تحت عنوان تکنیک‌های لیتوگرافی پروب روبشی مغناطیسی (Magnetic SPL) شناخته می‌شوند. این روش با استفاده از یک پروب روبشی قابل گرمایش، در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، بخش‌های موضعی داغ و سردی را در یک لایه‌ی فرومغناطیسی با سوگیری تبادلی (exchange-biased) ایجاد می‌کند. این عمل باعث ایجاد یک جابجایی (shift) در حلقه هیسترزیس مناطق در معرض قرار گرفته می‌شود و در نتیجه، مغناطش مناطق در معرض را نسبت به مناطق پوشیده نشده، در جهت‌گیری متفاوتی تثبیت (Pinning) می‌کند. این مناطق تثبیت‌شده حتی پس از سرد شدن و در حضور میدان‌های خارجی نیز پایدار باقی می‌مانند و امکان نوشتار الگوهای نانومتری دلخواه را بر روی لایه‌ی فرومغناطیسی فراهم می‌آورند. در آرایه‌هایی از جزایر نانومقیاس فرومغناطیسی برهم‌کنش‌کننده، مانند یخ اسپین مصنوعی (artificial spin ice)، تکنیک‌های پروب روبشی برای نوشتن الگوهای مغناطیسی دلخواه از طریق معکوس‌سازی موضعی مغناطش هر یک از جزایر مجزا استفاده می‌شوند. یک روش مرتبط، نوشتار مغناطیسی هدایت‌شده توسط نقص توپولوژیکی (TMW) است که از میدان دوقطبی یک پروب روبشی مغناطیسی‌شده برای القای نقص‌های توپولوژیکی در میدان مغناطش جزایر فرومغناطیسی منفرد بهره می‌برد. این نقص‌های توپولوژیکی با لبه‌های جزیره برهم‌کنش می‌کنند و از بین می‌روند و در نتیجه مغناطش معکوس می‌شود. مقایسه با سایر تکنیک‌های لیتوگرافی از آنجا که لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یک فناوری سریالی (Serial) است (یعنی الگوها را نقطه به نقطه یا خط به خط می‌نویسد)، ذاتاً کندتر از روش‌هایی مانند فوتولیتوگرافی است. | ## جمع‌بندی | در عین حال، موازی‌سازی این فرآیند که برای تولید انبوه الزامی است، به‌عنوان یک چالش بزرگ در مهندسی سامانه‌ها در نظر گرفته می‌شود (برای مثال، حافظه میلی‌پید را ببینید).با این وجود، از نظر رزولوشن، روش‌های SPL با بهره‌گیری از پروب‌های روبشی، محدودیت پراش نوری را دور می‌زنند و قادرند به الگوهایی با ابعاد بسیار کوچک‌تر دست یابند.