三維 Nanopatterning 和極小製作:

由萇氏Hwan 崔教授

萇氏Hwan 崔教授,納諾和 Microfluidics 實驗室機械工程史蒂文斯技術研究所的部門
對應的作者: cchoi@stevens.edu

因為科學搜尋和工程應用到達下來對毫微米縮放比例,有嚴格的需要製造與規律性和可調性的三維 (三維) nanostructures 在他們的模式、範圍和形狀。

在一大區的這些明確定義的大區 nanostructures 與可控制的側壁和技巧形狀在區開闢了新建應用程序可能性在 nanoelectronics 之外,例如 microfluidics3,4 和生物材料5,6

1).

(b) 硅體各向同性的 SF6 銘刻與非均質性的砲擊的。 (c) 與 C4F8 的各向同性的聚合物形成。 (d) SF6 銘刻和聚合物證言為深溝槽被重複。 扇貝,峰頂對谷高度 50 毫微米在典型的 DRIE,出現在牆壁由於銘刻的各向同性的本質。 nanoscale 海扇貝採集業作用可以是受控和使用為側壁配置文件和通過調控蝕刻參數打翻鋒利控制為三維 nanostructure 製造例如壓、 RF 功率、混合氣體和蝕刻時間 (步驟 b) 的相對期限與證言時間 (步驟 c)。

最近報表1,2 向顯示 nanoscale 海扇貝採集業作用可以通過調控蝕刻參數調整和適應認識到與明確定義的側壁配置文件的高方面比例三維 nanostructures 和打翻鋒利。 一個相似的途徑可能也是應用的為三維 nanopatterning 在非均質性的易反應的離子蝕刻技術的金屬通過利用循環蝕刻和鈍化 (即,氧化作用) 步驟。

在多數應用, nanostructures 不是有用的,除非他們包括相對地大面積,并且製造成本在一個可接受的範圍內被保留。 當許多 nanopatterning 的技術測試時,多數介入一個序列方法例如 e 射線或瀏覽的探測石版印刷,包括仅一個小範圍 (典型地少於 1 mm2)。

並行 X-射線石版印刷可能仿造一大區,但是它為多數應用是太消耗大的。 虛擬基於石版印刷的製造方法,例如 nanoimprinting,複製模式一個並行方式,但是需要 e 射線或 X-射線石版印刷首先製造的一個主要模子。 多數非平版印刷的方法,例如使用自被彙編的 nanomaterials nanotemplates 或 nanostructures 直接證言/增長用化工方法,缺乏在一大區的規律性。

目前,干涉 (或全息照相) 石版印刷被認為這個有效方法做亞顯微縮放比例在一大區的定期模式與模式規律性優越控制。 它在基體使用簡單和比較便宜的光學生成統一干擾圖例如線路和小點,不用任何光掩膜。

圖 2 顯示變化的側壁配置文件和技巧鋒利高方面比例三維納諾過帳結構的示例。



在硅體的圖 2. (SEM) 多種側壁配置文件和被創建的技巧鋒利三維 nanostructures 掃描電子顯微鏡圖像1,2。 激光干涉石版印刷可能定義統一一些光致抗蝕劑 nanopatterns (線路、柱子或者漏洞),其中模式週期取決於激光波長和角度在二條干涉的射線之間。 在圖上顯示的 nanostructures 是高柱子結構 (~500 毫微米高) 在一個方形列陣 ~200 毫微米在週期。

圖 2a 顯示被編程的側壁配置文件是可再入的。 與這樣可再入側壁配置文件的三維 nanostructures 是理想的在幾種應用,例如微波晶體管、通知調制器納諾光學的,穩健 omniphobic 表面和多種 nanoelectromechanical 系統的 T 門 (NEMS)。 当常規技術用於創建三維功能,多個石版印刷跨步與準確的對準線或與多層的一個唯一石版印刷步驟抵抗 (或多步的過帳進程) 將需要。 這個結果建議有效直接三維 nanostructure 製造通過控制納諾海扇貝採集業作用是可能的。

圖 2b 顯示與被重複的拱形或凸面一個可再入側壁配置文件的三維 nanostructures。 側壁配置文件的三維差異可以沿所選的側壁傾斜強加通過調整納諾海扇貝採集業作用,啟用分層結構或多重 nanostructures。

圖 2c 也向顯示技巧鋒利可能進一步被剪裁。 例如,一個正逐漸變細的側壁配置文件的 nanostructure 技巧可能被熱量氧化作用和這種氧化物的隨後的刪除便利地提高。 包括大模式面積,特別是與針相似的 nanopost 結構的有規則的鋒利技巧 nanostructures,通常感興趣這樣電子應用像域放射器結構。 鋒利技巧極小製作此簡單,但是高效率的方法也將實現高方面比例掃描探測技巧的設計和製造。

在三維 nanostructures 中的許多福利,在一大範例區的人口密集的 nanostructures 可能開闢非電子的應用可能性。 例如,高方面比例鋒利技巧 nanostructures 啟用好機械強壯和非濕穩定性納諾被仿造的 superhydrophobic 表面的製造,比較微型被仿造的或不規則被仿造的 (即,化工形成或聚合物粗化) superhydrophobic 表面。

圖 3 顯示有規則的鋒利技巧 (~10 在技巧半徑的毫微米) nanopost 結構變化的高度 (50-500 毫微米)。 雖然技巧是全部鋒利的,只有與一個小的傾斜角度的高 nanopost 結構維護一個非被弄濕的狀態,陳列極大的 superhydrophobicity (~180° 交會角)。 與正常和密集的間距的這些 nanostructures 不僅允許一學習 nanostructure 幾何的作用對 superhydrophobic 濕。 但是他們也提出流申請,例如水力減阻,實用通過容忍沒有丟失的表面 superhydrophobicity 的高度被加壓的流3,4



圖 3. 鋒利技巧 superhydrophobic 表面的 nanopost 結構 SEM 圖像1,2。 每插頁在聚四氟乙烯以後顯示水滴的明顯的交會角 (~10 濃厚毫微米疏水塗層) 在每表面。 高方面比例 nanoposts (即,超過 200 毫微米如 b 和 c) 所顯示顯示顯著改進的 hydrophobicity (即,交會角極大比 175°),而短的 nanoposts (即,少於 100 毫微米顯示在 a) 不 (即,交會角不更比 130°)。 作為參考,在鍍上特氟隆的交會角在一個無結構的平面是 ~120°。

有規則的三維納諾地形學屬性啟用探險的另一個可能性在細胞生物學。 細胞活體內壽命在三維納諾環境裡,配合與 extracelullar 基體材料 feabured 與在構成,範圍和 periodiciry 變化的納諾tophographical 投影和消沉。 它與在二維基體分析的焦點和纖維狀的黏附力有所不同體外

雖然在多種表面地勢的幾個細胞工作情況 werestudied 與微型和 nanostructured 表面,不適當系統地控制表面三維地勢,特別是在 nanoscale,從查出 nanoscale 表面功能的三幅員的作用阻止了我們對細胞粘著。 三維極小製作技術的發展現在允許三維細胞粘著的體外研究的系統地受控制三維 nanotopography 設計表面。 圖 4 顯示成纖維細胞與作為調控的三維 nanotopography 設計被測試的鋒利技巧 nanopost 和 nanograte 結構的細胞交往的一個最近研究5,6。 明確定義的三維 nanostructures 表示細胞為空間感覺將使用 filopodia 在他們的移動在 nanoenvironment 附近。




在三維鋒利技巧 nanotopography 的圖 4. 細胞粘著5,6。 成纖維細胞細胞的 filopodia 擴展名的 SEM 圖像被採取了在 3 天的文化期間 nanopost 的 (a : ~50 毫微米和 b : ~500 毫微米,在高度) 和 nanograte (c : ~50 毫微米和 d : ~500 毫微米,在高度) 範例。 在每個圖像的縮放比例棒指示 1 µm。

當作為 『墊腳石』從事的 nanopost 結構在 filopodia 移動 (Figs. 4a 和 4b) 時, nanogrates 發揮作用 『引導跟蹤』 (Figs. 4c 和 4d),当總作用也依靠結構上的長寬比。 可以在別處找到在關聯細胞工作情況的更多詳細資料在三維 nanotopographies 例如細胞增殖、形態學和黏附力5,6。 明確定義的三維 nanostructure 系統提供一個唯一機會闡明細胞 nanobiology 的許多方面,瞭解對可能為細胞和組織工程應用進一步使用。

此短的評論文章 overviewes 一個簡單,但是有用的方法製造與模式、範圍和形狀好規律性的三維密集列陣 nanostructures 在一大範例區。 隨後的簡單的方法技巧削尖也討論。 與控制三維 nanostructures 的價格合理的表面在一大區開張新建應用程序在電子和以遠通過他們的起源於他們的 nanoscale 幾何的唯一屬性。

鳴謝

在此條款上存在的多數工作進行了作為 PhD 論文工作在萇氏金 「CJ」在加州大學洛杉磯分校的金教授的監督下 (加州大學洛杉磯分校)。 這個作者感謝 Profs 教授金技術支持和論述在工作中, Joonwon 金教授最初的幫助的在極小製作, Chih-Ming Ho 教授和翁貝托 Ulmanella 博士 microfluidic 應用的和。 本傑明吳,詹姆斯 Dunn, Ramin Beygui 和 Sepideh Hagvall 博士細胞的學習。


參考

1. C. - H。崔, C。 - J。金, 「密集的列陣的製造在一個大範例地區的高 Nanostructures 與側壁配置文件和技巧鋒利控制」,納米技術 17, 5326-5333 (2006)。
2. C. - H。崔, C。 - J。金, 「設計、大區秩序井然密集列陣三維 Nanostructures」的製造和應用,在電子和 Photonics 的 Nanostructures,愛德。 Faiz 拉赫曼,平底鍋斯坦福發布 (2008)
3. C. - H。崔, C。 - J。金, 「含水液體流大清單在 Nanoengineered Superhydrophobic 表面的」,實際覆核在 96, 066001 上寫字 (2006)
4. C. - H。崔, U. Ulmanella, J. 金, C。 - M。 Ho, C。 - J。金, 「對 Nanograted Superhydrophobic 微通道的有效清單和摩擦減少」,物理流體 18, 087105 (2006)
5. C. - H。崔, S.H. Hagvall, B.M. 吳, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C。 - J。金, 「與三維鋒利技巧 Nanotopography」的細胞交往,生物材料 28日 1672-1679 (2007)。
6. C. - H。崔, S.H. Hagvall, B.M. 吳, J.C.Y. Dunn, R.E. Beygui, C。 - J。金, 「細胞增長作為在三維鋒利技巧 Nanostructures」的頁,生物醫學的材料研究 89A, 804-817 日記帳 (2009)。

版權 AZoNano.com,萇氏Hwan 崔 (史蒂文斯技術研究所教授)

Date Added: Oct 20, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 03:58

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