Teraviknanolitograafia

Ajalugu

Kontrollimatut molekulaarse "tindi" kandumist kaetud AFM-i teravikult alusele märkasid esimesena Jaschke ja Butt 1995. aastal, aga ekslikult järeldati, et stabiilsete alkaantiolaadi nanostruktuuride moodustamine kullast alusele ei ole võimalik. Chad Mirkini juhitud töörühm Northwesterni Ülikoolist hakkas nähtust uurima ja leiti, et õigete tingimuste korral on võimalik molekule sadestada erinevast materjalist pindadele, moodustades stabiilseid suure lahutusvõimega ühe molekuli paksusi kihte. Väljatöötatud litograafiameetodile anti nimeks teraviknanolitograafia (Dip pen nanolithography, DPN). Selle meetodi patendid on endiselt Mirkini ja tema kolleegide nimel, lisaks on tehnoloogia laienenud vedelikust "tintidele". Viimase puhul on oluline meeles pidada, et vedelike jaoks on sadestamise meetod väga erinev võrreldes molekulaarsete "tintidega".

DPN-i omadused

DPN on otsese kirjutamise meetod, seda saab kasutada nii ülalt-alla kui ka alt-üles litograafilise vahendina. Ülalt-alla meetodi puhul kasutatakse teravikku, et otseselt lõigata või graveerida alust. Sellele järgneb söövitamine ja sadestamine. Alt-üles tehnoloogia puhul sadestatakse materjal teravikult otse alusele. Oluline DPN omadus on veel sõltumatus teravikule mõjuvast jõust. Kõigi tindi ja aluste kombinatsiooni korral jäävad sadestatava kihi mõõtmed samaks, ükskõik kui tugevasti teravikku vastu alust surutakse.

Rakendused

Määratlemaks head DPN rakendust tuleb aru saada, mida suudab teraviknanolitograafia sellist, mida teised meetodid ei suuda. Otsesed kirjutusmeetodid nagu kontaktlitograafia on võimelised looma mustreid erinevatest bioloogilistest materjalidest, kuid ei ulatu rakusiseste detailide lahutuseni. Mitmed kõrglahutusvõimelised litograafiameetodid suudavad luua detaile mõõtmetega alla mikromeetri, kuid need on kallid ja ei ole ette nähtud biomolekulide sadestamiseks ja rakukultuuuridega töötamiseks.

Termiline DPN

Sadestamist teostatakse ka kuumutatud teravikuga, seda protsessi kutsutakse termiliseks teraviknanolitograafiaks (thermal dip pen lithography, tDPL). Seda kasutatakse pooljuht, magnetiliste, metalliliste ja optiliselt aktiivsete nanoosakeste sadestamiseks ainele. Osakesi hoitakse polümetüülmetakrülaadis ehk pleksiklaasis või mõnes sarnases polümeermaatriksis ja kuumutatakse teraviku otsaga, kuni nad hakkavad voolama. Teravik toimib just nagu nanopliiats, millega saab joonistada ettemääratud struktuure. Olenevalt nanoosakeste suurusest on saavutatud lahutus 78–400 nanomeetrit. Polümeermaatriksi eemaldamiseks saab kasutada O₂ plasmat ja sel viisil on suudetud, kasutades raudoksiidi nanoosakesi, vähendada lahutusvõime 10 nanomeetrini.
Termilise DPN-i suureks eeliseks on väga kõrge lahutusvõime, lisaks on võimalik sadestada erinevat tüüpi nanoosakesi ilma, et oleks vaja ette valmistada spetsiaalseid lahuseid. Kuid meetodil esineb ka piiranguid. Esiteks ei saa nanoosakesed olla väga suured – pleksiklaasi puhul umbes 6 nanomeetrit. Teiseks nanoosakeste suuruse kasvades tõuseb ka viskoossus, mille tõttu langeb kogu protsessi kiirus. Näiteks puhta polümeeri sadestamisel on võimalik saavutada kiirus 200 μm/s, kuid nanoosakeste lisamine aeglustab selle kiiruseni 2 μm/s.

Võrdlus teiste meetoditega

DPN-i kritiseeritakse enim just sadestamise kiiruse pärast. Põhjus selleks peitub rohkem asjaolus, kuidas teda teiste meetoditega võrreldakse, mitte mõnes DPN-le omases nõrkuses.
Võttes võrdluseks pehme litograafia (microcontact printing, μCP), mis on odav mikro- ja nanoskaalas trükkimise meetod, siis on kerge mõista, miks DPN-i võrreldakse μCP-ga. Probleem seisneb selles, et võrdluse aluseks võetakse rakendused, mis sobivad väga hästi μCP-le. Pehme litograafia suudab kanda ühte materjali suurele pinnale kindlat mustrit sammhaaval tembeldades. Sarnaselt kannab fotolitograafia mustri suurele alusele ühe särituse jooksul. Sellise võrdluse puhul on DPN muidugi aeglane. DPN on otsene fotomaskita sadestamise meetod, millega saab luua erinevaid struktuure erineva suuruse, kuju ja lahutusega ning seda kõike ühele alusele. Pehme litograafia puhul ei oleks rahaliselt ja ajaliselt mõistlik iga erineva detaili jaoks valmistada uut templit.

Seos aatomijõumikroskoopiaga

Teraviknanolitograafia arenes otse aatomijõumikroskoopiast. Seetõttu ei ole üllatav, et levib arusaam nagu suudaks iga kommertslik aatomijõumikroskoop (AFM) teha sama, mida DPN. Tegelikult ei vaja DPN töötamiseks AFM-i ja AFM-l ei ole tingimata DPN-i võimekusi. Täpselt samasugune analoogia on skaneeriv elektronmikroskoobi (SEM) ja elektronkiirlitograafiaga. Viimane arenes välja esimesest ja mõlemad kasutavad fokuseeritud elektronide voogu, kuid mõeldud on nad täitma erinevaid ülesandeid.