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新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

导读: 基于双光子聚合的三维激光直写技术受限于衍射极限, 使得现有的成熟激光直写技术的极限尺度被限制在100纳米级别。

基于双光子聚合的三维激光直写技术受限于衍射极限, 使得现有的成熟激光直写技术的极限尺度被限制在100纳米级别。实现更高的书写尺度极限往往需要对实验设备和聚合材料进行精细的调控,加大了实验的成本和复杂度。因此,发展一个完全基于标准的3D激光直写仪器的图案化手段来实现极高的打印极限是非常重要的。文章中展示的方法可以非常简单地通过调节书写条件,直接书写超小尺寸。

近日,新加坡科技设计大学Joel K. W. Yang教授(通讯作者)团队,首次报道了使用激光直写技术打印出10纳米级的悬空纳米网格。该团队发现通过控制激光扫描的速度及方向,配合聚合物的张力作用,可以打印出10纳米级的悬空纳米线。其中最窄的线条可达7纳米,几乎媲美目前精度最高的表面图案化技术。该方法在用于打印20纳米级的悬空网格时可达到80%的成品率。利用这方法,该团队打印出最小横向间距为33纳米的悬空纳米网格。同时,这些纳米网格可以用作蒸发掩板制造纳米级的金属间距。相关成果以题为 “Sub-10-nm Suspended Nano-Web Formation by Direct Laser Writing” 发表在 Nano Futures 上。

图1:随机成核vs 导向成核 vs 正常交联过程的概要和结果

新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

(a-c)随机成核:聚合物均匀随机生成,形成杂乱的纳米结构。往往是大结构的副产物。

(d-f)导向成核:利用低于阈值的激光进行导向,形成有规律的纳米结构。可打印10纳米级别的结构

(g-i)正常的交联过程:激光强度高于阈值,产生足够多的聚合物形成宽大的结构。这类结构往往在100纳米级别。

图2:激光扫描方向的影响及纳米网格的形貌表征

新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

(a)A和B是电子扫面显微镜图片,展示了在极低的激光强度下,纳米线条展现了随扫描方向变化的非对称性。C-F 列举了不同激光强度下线条宽度及非对称性的变化

(b)展示了三个不同参数随激光强度的变化,分别是成品率(Yield),宽度比(Width ratio – 用于比较线条的非对称性)及最小宽度(Feature Size)。

图3:最小宽度的纳米线

新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

展示了小于10纳米的线条。

图4:横向间距的极限

新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

A-D为下图中不同激光强度下的例子。测量的横向距离表明,利用打印高度差及极细的纳米线条,30纳米左右的横向间距是可实现的。

图5:利用悬空纳米网格作为蒸发掩膜

新加坡科技设计大学使用激光直写技术打印10纳米级悬空纳米网格

(a-b)是利用打印高度差及细线条来避免不需要的随机聚合,极细且规整的间距可以实现。

(c-d)作为对比,若纳米线条都打印在同一高度,不需要的随机聚合会破坏设计的规整性。

【小结】

实验结果表明,通过控制激光扫描速度及方向,10纳米级的纳米网格是可实现的。利用打印高度差及极细的纳米网格,进而可以实现30纳米级的横向间距以及极小且规整的金属间距。这项研究展示一种新的可能,即利用现有成熟的激光打印技术,10纳米级的纳米结构亦是可以实现。目前,完整的机制尚未完全清晰明了,该课题组正致力于更多相关实验来验明机制以及完善该方法,使得打印随意形状的10纳米级三维纳米结构成为可能。该成果进一步扩展了激光打印技术的使用范围。

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