نانولیتوگرافی با قلم غوطه‌ور ( DPN )

بندانگشتی|'''مکانیزم کلاسیک DPN:''' پخش‌شدن ''جوهر مولکولی'' از یک نوک در مقیاس نانو به یک سطح از طریق یک '''پل آبی (meniscus)'''.
**نانولیتوگرافی با قلم غوطه‌ور** ( **DPN** ) یک تکنیک لیتوگرافی پروب روبشی است که در آن از نوک میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) برای ایجاد مستقیم الگوها روی یک زیرلایه استفاده می‌شود.  این فعالیت را می‌توان روی طیف گسترده‌ای از مواد با جوهرهای متنوع انجام داد. یک نمونه رایج از این تکنیک، استفاده از تیولات‌های آلکان برای ایجاد طرح روی سطح طلا است.  این تکنیک امکان الگوسازی سطحی در مقیاس‌های زیر 100 نانومتر را فراهم می‌کند. DPN معادل نانوفناوری قلم غوطه‌وری (که به آن قلم پر نیز گفته می‌شود) است، جایی که نوکِ بازوی انعطاف‌پذیر یک میکروسکوپ نیروی اتمی به‌عنوان «قلم» عمل می‌کند؛ نوک با یک ترکیب یا مخلوط شیمیایی به‌عنوان «جوهر» پوشانده می‌شود و سپس با زیرلایه‌ای که نقش «کاغذ» را دارد تماس پیدا می‌کند.

DPN امکان رسوب‌دهی مستقیم مواد در مقیاس نانو بر روی یک زیرلایه را به‌صورت انعطاف‌پذیر فراهم می‌کند. پیشرفت‌های اخیر نشان داده‌اند که می‌توان با استفاده از آرایه‌های دوبعدی شامل 55,000 نوک، الگو‌سازی به‌صورت بسیار موازی انجام داد.

کاربردهای این فناوری در حال حاضر در شیمی ، علوم مواد و علوم زیستی می‌شود و شامل اقداماتی مانند ایجاد نانوآرایه‌های بیولوژیکی با چگالی بسیار بالا و تعمیر افزایشی ماسک نوری می‌شود.

## توسعه
انتقال کنترل‌نشده یک "جوهر مولکولی" از نوک AFM پوشش داده شده به یک زیرلایه برای اولین بار توسط  یاشکه (Jaschke) و  بُت (Butt) در سال 1995 گزارش شد،  اما آنها به اشتباه نتیجه گرفتند که آلکانتیول‌ها نمی‌توانند به زیرلایه‌های طلا منتقل شوند و نانوساختارهای پایدار تشکیل دهند. یک گروه تحقیقاتی در دانشگاه نورث وسترن ، ایالات متحده به رهبری چاد میرکین (Chad Mirkin) به طور مستقل این فرآیند را مطالعه کردند و مشخص کردند که تحت شرایط مناسب، مولکول‌ها می‌توانند به سطوح متنوعی منتقل شوند تا تک لایه‌های جذب‌شده شیمیایی پایدار را در یک فرآیند لیتوگرافی با وضوح بالا ایجاد کنند.  چاد میرکین و همکارانش حق ثبت اختراع این فرآیند را در اختیار دارند،  و تکنیک الگوسازی گسترش یافته است تا شامل "جوهرهای مایع" نیز شود. توجه به این نکته مهم است که "جوهرهای مایع" در مقایسه با "جوهرهای مولکولی" با مکانیزم رسوب‌دهی کاملاً متفاوتی عمل میکنند. 

## مواد رسوب‌دهی
**جوهرهای مولکولی**
جوهرهای مولکولی معمولاً از مولکول‌های کوچکی تشکیل شده‌اند که روی یک نوک DPN پوشش داده شده و از طریق یک پل آبی به سطح می‌رسند. برای پوشش‌دهی نوک‌ها، می‌توان نوک را با روش تبخیر پوشاند یا نوک‌ها را در محلول رقیق حاوی جوهر مولکولی فرو برد. ااگر نوک‌ها با روش فروبردن در محلول (dip-coating) پوشش داده شوند، حلال باید پیش از رسوب‌دهی از بین برود. سرعت رسوب‌دهی یک جوهر مولکولی به سرعت نفوذ مولکول بستگی دارد که برای هر مولکول متفاوت است. اندازه‌ی این ویژگی توسط زمان تماس نوک با سطح (از میلی‌ثانیه تا ثانیه) و اندازه‌ی پل آبی تعیین می‌شود که این اندازه تحت تأثیر شرایط رطوبت قرار دارد (با فرض اینکه شعاع انحنای نوک بسیار کوچکتر از منیسک باشد).

* ارتباط توسط پل آبی برقرار می‌شود (البته استثناهایی وجود دارد)
* تفکیک‌پذیری ویژگی‌ها در مقیاس نانو (50 نانومتر تا 2000 نانومتر)
* عدم امکان رسوب‌دهی چندگانه به‌صورت هم‌زمان
* هر جوهر مولکولی به زیرلایه سازگار با خود محدود است.

**مثال‌ها**

* تیول‌های آلکانی که روی طلا نوشته می‌شوند
* سیلان‌ها (فاز جامد) که روی شیشه یا سیلیکون نوشته می‌شوند

**جوهرهای مایع**
بندانگشتی|مکانیسم رسوب‌دهی جوهر مایع
جوهرهای مایع می‌توانند هر ماده‌ای باشند که در شرایط رسوب‌گذاری حالت مابع داشته باشند. ویژگی های رسوب‌دهی مایع توسط برهمکنش‌های بین مایع و نوک، مایع و سطح، و همچنین ویسکوزیته خود مایع تعیین می‌شود. این برهمکنش‌ها، بسته به زاویه تماس مایع، حداقل اندازه ویژگی جوهر مایع را به حدود ۱ میکرومتر محدود می‌کنند. ویسکوزیته‌ های بالاتر کنترل بیشتری بر اندازه ویژگی فراهم می‌کنند و مطلوب‌تر هستند. برخلاف جوهرهای مولکولی، می‌توان رسوب‌دهی‌های چندگانه را با استفاده از یک مایع حامل انجام داد. به عنوان مثال، با استفاده از یک بافر چسبناک، می‌توان چندین پروتئین را به طور مستقیم و همزمان رسوب داد.

* تفکیک‌پذیری ویژگی‌ها در بازهٔ 1 تا 10 میکرومتر
* رسوب‌دهی‌های چندگانه
* نیاز کمتر محدودکننده برای سازگاری جوهر و سطح
* رسوب‌دهی مستقیم مواد با ویسکوزیتهٔ بالا

**مثال‌ها**

* الگوسازی پروتئین‌ها،   پپتیدها،  و DNA
* هیدروژل‌ها
* ژل‌های سل
* جوهرهای رسانا
* لیپیدها
* سیلان‌ها (فاز مایع) که روی شیشه یا سیلیکون نوشته می‌شوند

## کاربردها
برای تعریف یک کاربرد مناسب برای DPN، درک این نکته مهم است که DPN چه کاری می‌تواند انجام دهد که سایر تکنیک‌ها نمی‌توانند. تکنیک‌های نوشتار مستقیم، مانند چاپ تماسی، می‌توانند چندین ماده زیستی را الگوسازی کنند، اما نمی‌توانند ویژگی‌هایی با وضوح زیر سلولی ایجاد کنند. بسیاری از روش‌های لیتوگرافی با وضوح بالا می‌توانند در مقیاس زیر میکرومتری الگو ایجاد کنند، اما این روش‌ها به تجهیزات بسیار گران قیمت نیاز دارند که برای رسوب‌دهی ملکول‌های زیستی یا کشت سلولی طراحی نشده‌اند. چاپ میکروتماسی می‌تواند ملکول‌های زیستی را در شرایط محیطی چاپ کند، اما نمی‌تواند چندین ماده را با تنظیم نانو مقیاس (nanoscale registry) به‌طور همزمان الگوسازی کند.

**کاربردهای صنعتی**
بندانگشتی|حسگر زیستی Cantilever که با 4 پروتئین مختلف عامل‌دار شده است
در ادامه چند نمونه از نحوه استفاده DPN بر روی محصولات بالقوه آورده شده است. 

# عامل‌دار کردن حسگر زیستی - قرار دادن مستقیم چندین دامنه جذب روی یک دستگاه حسگر زیستی واحد
# ساخت حسگر در مقیاس نانو - حسگرهای کوچک و با ارزش که می‌توانند چندین هدف را تشخیص دهند
# تراشه‌های پروتئینی در مقیاس نانو - آرایه‌های پروتئینی با چگالی بالا با حساسیت افزایش‌یافته

**کاربردهای نوظهور**

**مهندسی سلول**

DPN به عنوان یک ابزار تحقیقاتی قدرتمند برای دستکاری سلول‌ها با وضوح زیر سلولی در حال ظهور است.

* تمایز سلول‌های بنیادی
* دارورسانی زیرسلولی
* مرتب‌سازی سلول‌ها
* شیب‌های سطحی
* الگوهای پروتئین ECM درون سلولی
* چسبندگی سلولی

بندانگشتی|تصویر SEM از آرایه‌های متاساختار طلای ساخته شده با DPN.
**نمونه‌سازی سریع**

* پلاسمونیک و فرامواد(Metamaterials)
* غربالگری سلول و بافت

## خواص
**نوشتار مستقیم**
بندانگشتی|فراساختار طلا روی سیلیکون ساخته شده با روش‌های DPN از بالا به پایین
DPN یک تکنیک نوشتار مستقیم است، بنابراین می‌توان از آن برای کاربردهای لیتوگرافی بالا به پایین و پایین به بالا استفاده کرد. در کار بالا به پایین، از نوک‌ها برای رساندن یک ماده مقاوم در برابر حکاکی به سطح استفاده می‌شود که پس از آن یک فرآیند حکاکی استاندارد  انجام می‌شود.  در کاربردهای پایین به بالا، ماده مورد نظر مستقیماً از طریق نوک‌ها به سطح منتقل می‌شود. 

**مزایای منحصربه‌فرد**
* جایگذاری مستقیم - چاپ مستقیم مواد مختلف بر روی ساختارهای نانو و میکرو موجود با تنظیم در مقیاس نانو
* نوشتار مستقیم - ایجاد الگوهای دلخواه بدون ماسک با وضوح ویژگی از 50 نانومتر تا 10 میکرومتر
* سازگار با زیست‌شناسی - وضوح زیرسلولی تا نانومقیاس در شرایط رسوب‌گذاری محیطی
* مقیاس‌پذیر - مستقل از نیرو، که امکان رسوب‌گذاری موازی را فراهم میکند

## لیتوگرافی با قلم غوطه‌ور حرارتی (tDPL)
نسخه‌ای از **DPL** با نوک گرم‌شده نیز ارائه شده است، به نام **نانو‌لیتوگرافی با قلم غوطه‌ور حرارتی (tDPL)**، که برای **رسوب‌دهی** نانوذرات به‌کار می‌رود.  نانوذرات نیمه‌هادی، مغناطیسی، فلزی یا نوری فعال را می‌توان از طریق این روش روی یک زیرلایه نوشت. نانو ذرات در یک ماتریس پلیمری پلی (متیل متاکریلات) (PMMA) یا معادل آن معلق می‌شوند و توسط نوک پروب گرم می‌شوند تا زمانی که جریان پیدا کنند. نوک پروب مانند یک نانوقلم عمل می‌کند و می‌تواند نانوذرات را به صورت یک ساختار برنامه‌ریزی شده الگودهی کند. بسته به اندازه نانوذرات، وضوح 78 تا 400 نانومتر به دست آمده است. می‌توان از حکاکی پلاسمای O2 برای حذف ماتریس PMMA استفاده کرد و در مورد نانوذرات اکسید آهن، وضوح خطوط را به 10 نانومتر کاهش داد.  مزایای منحصر به فرد tDPL این است که یک فرآیند افزایشی بدون ماسک است که می‌تواند به وضوح بسیار باریکی دست یابد، همچنین می‌تواند به راحتی انواع مختلفی از نانوذرات را بدون نیاز به تکنیک‌های خاص آماده‌سازی محلول بنویسد. با این حال، محدودیت‌هایی برای این روش وجود دارد. نانوذرات باید کوچکتر از شعاع گردش پلیمر باشند، در مورد PMMA این حدود 6 نانومتر است. علاوه بر این، با افزایش اندازه نانوذرات، ویسکوزیته افزایش می‌یابد و فرآیند کند می‌شود. برای رسوب پلیمر خالص می‌توان به سرعت ۲۰۰ میکرومتر بر ثانیه رسید اما افزودن نانوذرات سرعت را به ۲میکرومتر بر ثانیه کاهش می‌دهد. که هنوز هم سریع‌تر از DPL است.

## لیتوگرافی با قلم پرتویی
یک آرایه دو بعدی از نوک‌های شفاف و تغییر شکل‌پذیر ( PDMS ) به شکل هرم، با یک لایه فلزی مات پوشانده می‌شود. سپس فلز از نوک هرم برداشته می‌شود و روزنه ای برای عبور نور باقی می‌ماند. سپس این آرایه در سراسر یک سطح اسکن می‌شود و نور از طریق یک آرایه میکروآینه به پایه هر هرم هدایت می‌شود که نور را به سمت نوک متمرکز می‌کند. بسته به فاصله بین نوک‌ها و سطح، نور با سطح به صورت میدان نزدیک یا میدان دور برهمکنش می‌کند و امکان ساخت ویژگی‌ها در مقیاس زیرپراش (مانند ویژگی‌های 100 نانومتر با نور 400 نانومتر) یا ویژگی‌های بزرگتر را فراهم می‌کند.

## تصورات غلط رایج
بندانگشتی|سترپتاویدین (با ضخامت ۴ نانومتر) رسوب داده شده با استفاده از میکروچاپ تماسی
**مقایسه مستقیم با سایر تکنیک‌ها رسوب داده شده**

انتقادی که اغلب به DPN وارد می‌شود، سرعت الگوسازی آن است. دلیل این امر بیشتر به نحوه مقایسه آن با سایر تکنیک‌ها مربوط می‌شود تا هرگونه ضعف ذاتی. برای مثال، روش لیتوگرافی نرم ، چاپ میکروکنتاکت (μCP)، استاندارد فعلی برای الگوسازی میکرو و نانومقیاس کم‌هزینه و رومیزی است، بنابراین طبیعی است که DPN مستقیماً با آن مقایسه شود. مشکل این است که اغلب این مقایسه‌ها براساس کاربردهایی انجام می‌شود که به‌طور ویژه برای μCP مناسب هستند، نه بر اساس یک کاربرد خنثی. μCP می‌تواند یک ماده را در یک مرحله مهرزنی روی یک سطح بزرگ الگوسازی کند، همانطور که فوتولیتوگرافی می‌تواند در یک نوردهی سطح وسیع را پوشش دهد. بنابراین وقتی DPN با این قدرت مقایسه می‌شود، کند به‌نظر می‌رسد. DPN یک تکنیک نوشتن مستقیم بدون ماسک است که می‌تواند برای ایجاد الگوهای متعدد با اندازه، شکل و تفکیک متفاوت، همه روی یک زیرلایه واحد، استفاده شود. هیچ‌کس نمی‌تواند μCP را برای چنین پروژه‌ای به‌کار برد، زیرا ساخت هر «مهر اصلی» برای هر الگوی جدید از نظر زمان و هزینه غیرمعقول است. حتی اگر چنین می‌شد، μCP قادر به تراز کردن چندین ماده از چندین مهر با ثبت در مقیاس نانو نخواهد بود.  بهترین راه برای درک این تصور غلط، مقایسه با **فتولیتوگرافی** و **لیتوگرافی پرتو الکترونی** است: هیچ‌کس سعی نمی‌کند از پرتو الکترونی برای حل یک مشکل فوتولیتوگرافی استفاده کند و سپس ادعا کند که "پرتو الکترونی خیلی کند است". در مقایسه مستقیم با قابلیت‌های الگوسازی ناحیه بزرگ فوتولیتوگرافی، لیتوگرافی پرتو الکترونی کند است و با این حال، ابزارهای پرتو الکترونی را می‌توان در هر آزمایشگاه و مراکز نانوساختی در جهان یافت. دلیل این امر این است که پرتو الکترونی قابلیت‌های منحصر به فردی دارد که نمی‌توان آن را با فوتولیتوگرافی مطابقت داد، همانطور که DPN قابلیت‌های منحصر به فردی دارد که μCP نمی‌تواند جایگزین آن‌ها شود.

**اتصال به میکروسکوپ نیروی اتمی**

DPN مستقیماً از AFM تکامل یافته است، بنابراین طبیعی است که بسیاری فکر کنند هر AFM تجاری قادر به انجام آزمایش‌های DPN است. در واقع، DPN نیازی به AFM ندارد و AFM لزوماً قابلیت‌های واقعی DPN را نخواهد داشت. یک قیاس عالی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و لیتوگرافی پرتو الکترونی (E-beam) وجود دارد. E-beam مستقیماً از فناوری SEM تکامل یافته و هر دو از یک پرتو الکترونی متمرکز استفاده می‌کنند، اما انجام آزمایش‌های لیتوگرافی پرتو الکترونی مدرن بر روی SEM که فاقد اجزای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری لیتوگرافی مناسب است، امکان‌پذیر نیست.

همچنین مهم است که یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد DPN، یعنی استقلال آن از نیرو را در نظر بگیریم. تقریباً با تمام ترکیبات جوهر/زیرلایه، صرف نظر از میزان فشار نوک بر روی سطح، اندازه ویژگی ایجادشده ثابت می‌ماند.  تا زمانی که از نوک‌های SiN مقاوم استفاده شود، نیازی به الکترونیک بازخورد پیچیده، لیزر، فوتودیودهای چهارگانه و AFM نیست.

## جستارهای وابسته

* میکروسکوپ نیروی اتمی
* طرح‌نگار الکترونی
* طرح‌نگاری نوری
* میکروسکوپ الکترونی روبشی
* طرح‌نگار یونی
* طرح‌نگار چاپی

## منابع

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:مهندسی زیستی
رده:طرح‌نگاری
رده:فناوری میکرو
رده:میکروسکوپ‌های پرآب پویشی
رده:مهندسی بافت