نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته (Dip Pen)

۱- مقدمه

دانشمندان می‌کوشند روش‌هایی ابداع کنند که بتوان با آن‌ها سطوحی در مقیاس ۱ تا ۱۰۰ 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. نمونه‌ای از این طرح‌ها در شکل زیر دیده می‌شود. این کار زمان زیادی می‌برد و برای انجام آن باید خلأ بسیار بالا و دمای پایین ایجاد کرد.

شکل ۱- نگارش CAU با میکروسکوپ STM

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 متاسفانه اکسیداسیون را تنها بر سطوح خاصی از فلزات و نیمه‌هادی‌ها به‌وجود می‌آورند و به‌علاوه نمی‌توان به ‌راحتی آنها را برای ایجاد چند لایه روی هم به‌کار گرفت.

»نانولیتوگرافی ِقلمِ آغشته« که به‌طور خلاصه DPN نامیده می‌شود، روش نوینی برای طراحی سیستم‌ها در مقیاس نانومتری است. در این روش یک سوزن بسیار نوک تیز، مواد شیمیایی (جوهر) را روی سطح مورد نظر می‌نشاند. با این روش، که شبیه استفاده ازپر برای نوشتن است، نقش‌هایی به ریزی چندده نانومتر قابل ترسیم‌اند. هم‌چنین می‌توان انواع گوناگونی از جوهرها، از پوشش‌های فلزی گرفته تا ذرات نانومتری یا مولکول‌های زیستی را در شرایط کنترل‌ شده به‌کار گرفت.

۲- نانولیتوگرافیِ قلم ِآغشته

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. در کارهای اولیه‌ای که به روش DPN انجام می‌شد، مولکول آلی "تیول" و سطح طلا به‌کار می‌رفتند. با استفاده از این سیستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. به ویژه 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 ۱۲ نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.

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 پلیمرها، مواد تشکیل‌دهنده‌ سل‌ژل، اکسیدهای فلزی و حتی نانوذرات. 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 .

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 50نانومتر قابل استفاده‌اند، مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی،DPN  تنها ابزاری است که می‌تواند مولکول‌ها را به‌طور مستقیم در شرایط کنترل‌ شده 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 ۵ نانومتر روی هم رسم کنند .

برای جمع‌بندی می‌توانیم بگوییم که نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته، مزایای زیر را دارد:

۱- قدرت تفکیک بالا. ترسیم نقوشی به کوچکی ۱۲ نانومتر، با دقت ۵ نانومتر و قابل تطبیق بر نقوش لایه‌های بعدی؛

۲- بی‌نیاز از خلأ. برای انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزنAFM ، کافی است شرایط محیطی محصور شده‌ای فراهم کنیم. برخلاف برخی روش‌های دیگر، در این روش ترسیم به خلأ نیازی نیست. این خاصیت به ویژه در مورد مولکول‌های زیستی که در خلأ آسیب می‌بینند بسیار مهم است؛

۳- قدرت ترسیم مستقیم. مواد مورد نظر می‌توانند دقیقا و فقط در جایی که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسیم شده به این روش، به عنوان فیلتر فوتورزیست برای فرآیندهای میکروالکترونیک استاندارد قابل استفاده‌اند؛

۴- امکان به‌کارگیری مواد گوناگون. در نقش‌های ترسیمی با DPN می‌توان از انواع متنوع جوهر بر روی سطوح مختلف استفاده کرد؛

۵- قابلیت هدایت خودکار. این روش را می‌توان به راحتی و با برنامه‌ریزی ماشین‌های موجود به‌طور 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 .

۳- کاربردهای DPN

پیش‌بینی در مورد مسیر فناوری‌های نوظهور بسیار مشکل است. با این حال، بررسی تعداد مقالات و فعالیت‌های علمی نشان می‌دهد که DPN با آن‌ که روشی نسبتا کند است، اما تأثیر مهمی در صنعت خواهد گذاشت. در این بخش، به چند حوزه مهم که این فناوری بر آن‌ها تاثیرگذار خواهد بود تمرکز می‌کنیم؛ گرچه هنوز حوزه‌های دیگری برای بررسی و پیدا کردن کاربردهای جدید وجود دارند .

۱-۳- آرایه‌های مولکول‌های زیستی در ابعاد میکرو و نانو

امروزه زیست‌شناسان از روش‌های جدیدی برای تشخیص ترکیب ژنتیکی مولکول‌های زیستی استفاده می‌کنند. تقریبا همه اطلاعات لازم در مورد ساختار یک سلول و بیماری‌های احتمالی آن، مانند جهش ژنتیکی که عامل اصلی ایجاد سرطان و برخی نارسایی‌های دیگر زیستی است، در DNA وجود دارد .

جدیدترین ابزاری که برای تشخیص ژن‌های DNA  به‌کار گرفته می‌شود، "چیپ‌های زیستیِ آرایه‌ای" است. در این ابزار، تعداد زیادی حسگر که هر کدام به نوع خاصی از ژن حساس‌اند، به ‌دقت کنار هم چیده شده‌اند. ترتیب ِقرارگیری آن‌ها طوری تنظیم شده است که هر دسته از آن‌ها نوع مشخصی از ترتیبِ ژن‌ها را مشخص می‌کنند. به‌طوریکه هر DNA به خاطر ساختار خاص خود تنها به یک دسته از حسگرها می‌چسبد. با تشخیص محل قرارگیری مولکول DNA ناشناخته روی چیپ زیستی و مقایسه آن با مرجع، می‌توان ترکیب ساختاری مولکول را به ‌سرعت پیدا کرد.

برای ساخت چیپ‌های زیستیِ آرایه‌ای که بتوانند انواع مختلف DNA را تشخیص دهند، باید بتوانیم تعداد زیادی مولکول حسگر را به ‌درستی کنار هم بچینیم. DPN  به عنوان تکنیکی برای نوشتن مستقیم مولکول‌ها روی سطوح، قابلیت‌های زیادی به‌دست پژوهشگران داده است و توان ساخت چیپ‌های پیشرفته‌تر با سرعت و دقت تشخیص بسیار بالاتر را فراهم آورده است.

۲-۳- ساخت ماسک برای حک کردن طرح‌های نانومتری با استفاده از خوردگی مرطوب

یکی از روش‌های مرسوم برای ترسیم طرح‌ها روی سطوح، "خوردگی مرطوب" است. خوردگی مرطوب شباهت زیادی به تکنیکی دارد که برای ایجاد یک فیبر مدار چاپی برای یک مدار خاص الکترونیکی استفاده می‌شود، اما در ابعادی بسیار کوچکتر. در این روش ابتدا طرح مورد نظر با لایه‌ای از مواد مقاوم در برابر خوردگی روی سطح ترسیم می‌شود. سپس سطح در مایعی قرار می‌گیرد که خاصیت خوردگی دارد. درنتیجه، قسمت‌هایی که در تماس با مایع‌اند حل می‌شوند. میزان پیشروی در سطح با کنترل عوامل مختلف، مانند دما، میزان غلظت حلال و زمان تماس با مایع قابل تنظیم است. اما لازمه این روش، رسم طرح موردنظر با مادة مقاوم روی سطح است. به‌طور سنتی این کار با استفاده از تکنیک‌های عکاسی صورت می‌گرفت، اما از آنجا که طول‌موج نور بسیار بزرگ‌تر از نقش‌هایی است که می‌خواهیم ایجاد کنیم، رسیدن به قدر تتفکیکِ کمتر از چندصد نانومتر با روش‌های سنتی غیرممکن است. به همین علت، DPN که به‌طور مستقیم طرح موردنظر را با ماده مقاوم بر روی سطح رسم می‌کند، پیشرفت بسیار مهمی در این حوزه به‌شمار می‌رود. قابلیت به‌کارگیری این تکنیک برای سطوح مختلف، میزان امیدواری کارشناسان برای به‌کارگیری صنعتی آن را افزایش می‌دهد. به تازگی سوزن‌های مخصوص چندگانه‌ای برای ترسیم موازیِ طرح‌ها با تکنیک DPN ساخته شده‌اند که می‌توانند تا ده‌هزار طرح را به‌طور موازی رسم کنند.

۳-۳- آخرین دستاورد: استفاده از جوهرهای خشک

به تازگی با استفاده از یک تکنیک جدید در مرکز تحقیقات نیروی دریایی آمریکا و دانشگاه "جُرجیاتِک" –که بر پایه DPN  طراحی شده است- محققان توانسته‌اند انواع جدیدی از جوهرهای خشک را به‌طور کنترل‌شده روی سطح بنشانند. در این روش، دمای سوزن میکروسکوپِ نیروی اتمی با سازوکاری داخلی قابل تغییر و کنترل است. با افزایش دمای سوزن، مادة جامدی که به عنوان جوهر روی سوزن قرارداده شده است ذوب می‌شود و روی سطح می‌چسبد. با سردکردن سوزن، دیگر جوهر به سطح نمی‌چسبد و به این ترتیب می‌توان طرح پیاده ‌شده را با دقت بیشتری کنترل کرد. این روش را "نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشتة گرمایی" نامیده‌اند.

یکی از مهم‌ترین مزایای این روش امکان به‌کارگیری آن در خلأ است. جوهرهای مایع در خلأ قابل استفاده نیستند، زیرا به ‌سرعت قبل از اینکه به سطح بچسبند بخار می‌شوند. این موضوع گاهی باعث کاهش دقت مسیر جوهر و پخش شدن آن روی سطح می‌شود. با استفاده از روش گرمایی امکان ترسیم نقش‌های ظریف‌تر فراهم شده است. محققان امیدوارند بتوانند طرح‌هایی را در ابعاد کمتر از 10نانومتر با این روش ترسیم کنند. استفاده از سوزن‌های متعدد برای ترسیم موازی، در این روش هم امکان‌پذیر شده است.

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در روش نانولیتوگرافی قلم آغشته امکان ساخت نقوش و طرح‌های مختلف با ابعاد نانومتری بر روی یک زیرلایه فراهم شده است. فرآیند نانولیتوگرافی قلم آغشته مشابه نوشتن یک متن با پر است. در این روش نوک پروب میکروسکوپ‌های نیروی اتمی و تونلی روبشی مشابه نوک خودکار عمل کرده و جوهر ذخیره شده در پشت پروب را با دقت نانومتری بر روی سطح می‌نشاند. در این روش امکان جایگذاری طیف متنوعی از ترکیبات نظیر فلزات، اکسیدهای فلزی، پلیمرها، نیمه‌رساناها، پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی با نظم و ابعاد نانومتری بر روی سطح وجود دارد. از جمله کاربردهای این روش می‌توان به ساخت حسگرهای زیستی از طریق قراردادن مولکول‌های زیستی بر روی یک پایه اشاره کرد. چیپ‌های ساخته شده به این روش حساسیت بالاتری در مقایسه با سایر حسگرهای زیستی ساخته شده به روش‌های دیگر دارند. یکی دیگر از مهم‌ترین کاربردهای نانولیتوگرافی قلم آغشته امکان جایگذاری جوهرهای خشک با دقت نانومتری بر روی سطح است. در این روش که به نانولیتگرافی قلم آغشته گرمایی موسوم است، حرارت نوک پروب سبب ذوب شدن جوهر شده و مولکول مورد نظر بر روی سطح قرار گرفته و با سرد شدن پروب مولکول از پروب جدا می‌شود و با تکرار این عمل طرح مورد نظر بر روی سطح قرار می‌گیرد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵- منابع

کتاب مجموعه مقالات آموزشی  باشگاه نانو