En genväg till Designer Nanostructures

En ny nanolitografimetod kan sänka kostnaderna för att tillverka experimentella datorchips för elektronikforskning och uppsättningar av biomolekyler för cellbiologi. Metoden gör det möjligt att deponera fina materialmönster, eller skära bort dem, med hjälp av stora uppsättningar av silikonpennor som sitter på fjädrar; den kombinerar förmågan att mönstra godtyckliga mönster som har nanoskaliga egenskaper med förmågan att arbeta snabbt och över relativt stora ytor.

Nanodot design: Prickarna som utgör denna bild, som visar pyramiden från en amerikansk dollarsedel, är 150 nanometer från varandra. En uppsättning av dessa pyramidbilder, som mäter 30 gånger 33 mikrometer vardera, gjordes på en guldfilm med en ny nanolitografimetod.

De vanligaste metoderna för att göra skräddarsydda nanostrukturer är dip-pen litografi, som innebär att molekyler deponeras med spetsen av ett atomkraftsmikroskop, och elektronstrålelitografi, vilket innebär att skära bort dem med elektronstrålar. Båda metoderna låter forskare realisera nya konstruktioner med nanoskopiska egenskaper, men de är otroligt tidskrävande och dyra.

Under det senaste decenniet, Chad Mirkin , professor i kemi vid Northwestern University, har arbetat på sätt att minska kostnaden och tiden som behövs för tillverkning i nanoskala. Mirkin uppfann dip-pen litografi 1999; 2008 utvecklade han ett mer praktiskt tillvägagångssätt med hjälp av polymerpennor istället för mikroskopspetsar. Pennorna är billigare än mikroskopspetsarna, lättare att arbeta med och fungerar över större ytor. Dessa pennuppsättningar kan sprayas med olika molekylära bläck på sina spetsar och sedan fästas på den rörliga armen på ett skanningssondsmikroskop för att spåra ut mönster. Polymer-penna-arrayer är dock inte särskilt bra på att mönstra funktioner i nanoskala, eftersom spetsen på pennan är mjuk. Man kan bara gå så liten, säger Mirkin.

Nu har Mirkin utvecklat en array som fungerar på liknande sätt men som kan skapa mycket mindre funktioner. När de trycks över en yta med hjälp av ett skanningssondmikroskop, kan de nya arrayerna – gjorda av hårda kiselspetsar fästa på en fjädrande polymerbaksida – antingen avsätta molekyler för att skapa nanostrukturer eller agera som små elektriska mejslar, skära bort material. Det är denna kombination av den hårda, fina kiselspetsen med det underliggande polymerskiktet som tillåter högre upplösning. Mirkin kallar metoden hard-tip, soft-spring lithography.

Denna vecka i journalen Natur , rapporterar Mirkin att den här metoden används för att skapa mönster med funktioner som är mindre än 50 nanometer. I en demonstration använde forskarna matriserna för att skapa 30 x 30 mikrometer kopior av pyramiden på amerikanska dollarsedeln på guldfilmer. Att skriva ut en kvadratcentimeter av dessa pyramider tog cirka 200 minuter. De tryckte också mönster med hjälp av biomolekyler och elektriska material.

Detta framsteg har en god chans att övergå scanning-probe litografi från akademisk [användning] till att vara ett viktigt produktions- och prototypverktyg som används i stor utsträckning inom halvledar- och bioteknikindustrin, säger Joseph DeSimone , professor i kemi vid University of North Carolina vid Chapel Hill.

En trolig tillämpning för litografitekniken är produktionen av ett litet antal specialdatachips, säger DeSimone. Det finns en ökande efterfrågan på små partier chips för att testa nya kretsdesigner, såväl som på specialiserade chips för nischapplikationer, särskilt inom militären. Att göra ett nytt chip kräver att man gör en ny mask som motsvarar ett fotografiskt negativ som används för att mönstra kretsarna på en wafer. Det finns ett enormt ouppfyllt behov av att göra chips med masklösa metoder, säger DeSimone.

På kort sikt, säger Mirkin, kommer cellbiologer sannolikt att hitta tillämpningar för tekniken i sina labb. Tekniken kan hjälpa dem att förstå hur cellulära interaktioner i nanoskala styr stamcellsdifferentiering och spridningen av cancer i hela kroppen, säger han. Med tillvägagångssättet kunde stora arrayer täckas med hundratusentals celler för att få statistiskt signifikant information om hur de reagerar på dessa rumsligt mönstrade kemiska signaler.

Milan Mrksich , professor i kemi vid University of Chicago, säger att Mirkins nya litografiteknik kan möjliggöra helt nya forskningsområden. Det kan till exempel möjliggöra nya studier av cellvidhäftning. Biologer vet att en cells vidhäftning till en yta bestäms av små nanostrukturer som kallas fokala vidhäftningar som varierar i storlek. Dessa är viktiga eftersom när cellvidhäftning bryts ned kan en cancercell bryta sig loss från en tumör och spridas i hela kroppen. Mrksich säger att mönstrade arrayer gjorda med Mirkins teknik kan visa cellbiologer hur storleken på fokala vidhäftningar reglerar cellbeteende.

Den här metoden borde öppna för många fler forskare för skrivbordstillverkning, säger Mirkin. Ett företag ringde Nano bläck har kommersialiserat tidigare litografimetoder från sitt labb. Han säger att universitetet sannolikt kommer att licensiera nanolitografimetoden till ett företag, inte nödvändigtvis Nano Ink. Mrksich sitter också i den vetenskapliga rådgivande nämnden för det företaget.

Dölj