Litografie skenovací sondy - Scanning probe lithography - Wikipedia

Litografie skenovací sondy[1] (SPL) popisuje soubor nanolitografické metody vzorování materiálu na nanoměřítku použitím skenovací sondy. Je to přímý zápis, bez masky přístup, který obchází difrakční limit a může dosáhnout rozlišení pod 10 nm.[2] Je považována za alternativní litografickou technologii, která se často používá v akademických a výzkumných prostředích. Termín litografie skenovací sondy byl vytvořen po prvních vzorkovacích experimentech s skenovací mikroskopy (SPM) na konci 80. let.[3]

Klasifikace

Různé přístupy k SPL lze klasifikovat podle jejich cíle buď přidat nebo odebrat materiál, podle obecné povahy procesu buď chemického nebo fyzikálního, nebo podle hnacích mechanismů interakce sondy s povrchem použitých v procesu vzorování: mechanické, tepelný, difuzní a elektrický.

Přehled

Mechanické / termomechanické

Litografie mechanické skenovací sondy (m-SPL) je nanomachining nebo nano škrábání[4] vzhůru nohama přístup bez použití tepla.[5] Termomechanický SPL působí teplo společně s mechanickou silou, např. odsazení polymerů v Paměť stonožky.

Tepelný

Hlavní článek: Litografie termosnímací sondy

Litografie termální skenovací sondy (t-SPL) používá vyhřívatelnou skenovací sondu k efektivnímu odstraňování materiálu z povrchu bez použití významných mechanických sil. Hloubku vzorování lze ovládat a vytvářet 3D struktury s vysokým rozlišením.[6][7]

Termochemické

Hlavní článek: Termochemická nanolitografie

Litografie termochemické skenovací sondy (tc-SPL) nebo termochemická nanolitografie (TCNL) využívá hroty skenovací sondy k vyvolání tepelně aktivovaných chemických reakcí ke změně chemické látky funkčnost nebo fáze povrchů. Takové tepelně aktivované reakce byly ukázány v bílkoviny,[8] organické polovodiče,[9] elektroluminiscenční konjugované polymery,[10] a nanoribbon rezistory.[11] Dále deprotekce z funkční skupiny[12] (někdy zahrnující teplotní přechody[13]), snížení oxidů,[14] a krystalizace piezoelektrické / feroelektrické keramika[15] bylo prokázáno.

Dip-pen / termální dip-pen

Hlavní článek: Dipolitická nanolitografie

Litografie snímací sondy dip-pen (dp-SPL) nebo dipolitická nanolitografie (DPN) je technika litografie skenovací sondy založená na difúze, kde se hrot používá k vytváření vzorů na řadě látek nanášením různých kapalin inkousty.[16][17][18] Termografická skenovací sonda s perem skenovací litografie nebo tepelná dipolitická nanolitografie (TDPN) rozšiřuje použitelné inkousty na pevné látky, které mohou být ukládány v kapalné formě, když jsou sondy předehřáté.[19][20][21]

Oxidace

Hlavní článek: Místní oxidační nanolitografie

Litografie oxidační skenovací sondy (o-SPL), také nazývaná lokální oxidační nanolitografie (LON), oxidace skenovací sondy, nanooxidace, lokální anodická oxidace, AFM oxidační litografie je založen na prostorovém ohraničení oxidace reakce.[22][23]

Vyvolání zkreslení

Litografie skenovací sondy vyvolané zkreslením (b-SPL) používá vysoké hodnoty elektrická pole vytvořený na vrcholu hrotu sondy, když jsou mezi hrotem a vzorkem aplikována napětí, aby se usnadnilo a omezilo množství chemických reakcí na rozložit plyny[24] nebo kapaliny[2][25] za účelem místního ukládání a pěstování materiálů na površích.

Proud indukovaný

V proudově indukované skenovací litografii (c-SPL) je kromě vysokých elektrických polí b-SPL také elektronový proud který vychází ze špičky SPM, se používá k vytváření nanopatter, např. v polymerech[26] a molekulární brýle.[27]

Magnetický

Pro zápis byly vyvinuty různé techniky skenovací sondy magnetizace vzory do feromagnetický struktury, které jsou často popisovány jako magnetické techniky SPL. Termografická litografická sonda s magnetickou skenovací sondou (tam-SPL)[28] pracuje s využitím vyhřívatelné skenovací sondy k lokálnímu ohřevu a chlazení oblastí předpojatý feromagnetická vrstva v přítomnosti vnějšího magnetického pole. To způsobí posun v hysterezní smyčka exponovaných oblastí, připnutí magnetizace v jiné orientaci ve srovnání s neexponovanými oblastmi. Přichycené oblasti se po ochlazení stanou stabilními i v přítomnosti vnějších polí, což umožňuje zapsat libovolné nanopattery do magnetizace feromagnetické vrstvy.

V polích interagujících feromagnetických nano ostrovů, jako jsou umělý led, techniky skenovací sondy byly použity k zápisu libovolných magnetických vzorů lokálním obrácením magnetizace jednotlivých ostrovů. Topologický defektem řízený magnetický zápis (TMW)[29] používá k indukci dipolární pole magnetizované skenovací sondy topologické vady v magnetizačním poli jednotlivých feromagnetických ostrovů. Tyto topologické vady interagují s ostrůvkovými okraji a ničí, takže magnetizace je obrácená. Další způsob psaní takových magnetických vzorů je vzorkování pomocí mikroskopie magnetické síly s polem,[30] kde je aplikováno externí magnetické pole trochu pod spínacím polem nano ostrovů a je použita magnetizovaná skenovací sonda pro místní zvýšení intenzity pole nad úroveň potřebnou pro zvrácení magnetizace vybraných ostrovů.

V magnetických systémech, kde je rozhraní Interakce Dzyaloshinskii – Moriya stabilizovat magnetické textury známé jako magnetické střešní nosiče, pro přímé psaní skyrmionů a mřížek skyrmionu byla použita magnetická nanolitografie skenovací sondy[31][32].

Srovnání s jinými litografickými technikami

Jako sériová technologie je SPL ve své podstatě pomalejší než např. fotolitografie nebo nanoimprint litografie, zatímco paralelizace požadovaná pro hromadnou výrobu je považována za velkou systémové inženýrství úsilí (viz také Paměť stonožky ). Pokud jde o rozlišení, metody SPL obcházejí optické difrakční limit vzhledem k jejich použití skenovacích sond ve srovnání s fotolitografické metody. Některé sondy jsou integrovány in-situ metrologie funkce umožňující kontrolu zpětné vazby během procesu zápisu.[33] SPL pracuje pod okolní atmosférické podmínky, bez potřeby ultra vysokého vakua (UHV ), na rozdíl od e-paprsek nebo EUV litografie.

Reference

  1. ^ Garcia, Ricardo; Knoll, Armin W .; Riedo, Elisa (Srpen 2014). Msgstr "Litografie pokročilé skenovací sondy". Přírodní nanotechnologie. 9 (8): 577–587. arXiv:1505.01260. Bibcode:2014NatNa ... 9..577G. doi:10.1038 / nnano.2014.157. ISSN  1748-3387. PMID  25091447. S2CID  205450948.
  2. ^ A b Martínez, R. V .; Losilla, N. S .; Martinez, J .; Huttel, Y .; Garcia, R. (1. července 2007). "Vzorování polymerních struktur s rozlišením 2 nm při 3 nm poloviční rozteč v okolních podmínkách". Nano dopisy. 7 (7): 1846–1850. Bibcode:2007 NanoL ... 7.1846M. doi:10.1021 / nl070328r. ISSN  1530-6984. PMID  17352509.
  3. ^ US patent 4 785 189
  4. ^ Yan, Yongda; Hu, Zhenjiang; Zhao, Xueshen; Sun, Tao; Dong, Shen; Li, Xiaodong (2010). „Nanomechanické obrábění trojrozměrných nanostruktur shora mikroskopem atomové síly shora dolů“. Malý. 6 (6): 724–728. doi:10.1002 / smll.200901947. PMID  20166110.
  5. ^ Chen, Hsiang-An; Lin, Hsin-Yu; Lin, Heh-Nan (17. června 2010). "Lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance v litograficky vyrobených jednotlivých zlatých nanodrátech". The Journal of Physical Chemistry C. 114 (23): 10359–10364. doi:10.1021 / jp1014725. ISSN  1932-7447.
  6. ^ Hua, Yueming; Saxena, Shubham; Lee, Jung C .; King, William P .; Henderson, Clifford L. (2007). Lercel, Michael J. (ed.). „Přímá přímá trojrozměrná tepelná litografie v nanoměřítku při vysokých rychlostech pomocí vyhřívaných konzol mikroskopu s atomovou silou“. Rozvíjející se litografické technologie XI. 6517: 65171L – 65171L – 6. Bibcode:2007SPIE.6517E..1LH. doi:10.1117/12.713374. S2CID  120189827.
  7. ^ Pires, David; Hedrick, James L .; Silva, Anuja De; Frommer, Jane; Gotsmann, Bernd; Vlk, Heiko; Despont, Michel; Duerig, Urs; Knoll, Armin W. (2010). „Nanorozměrové trojrozměrné vzorkování molekulárních rezistorů skenováním sond“. Věda. 328 (5979): 732–735. Bibcode:2010Sci ... 328..732P. doi:10.1126 / science.1187851. ISSN  0036-8075. PMID  20413457. S2CID  9975977.
  8. ^ Martínez, Ramsés V; Martínez, Javier; Chiesa, Marco; Garcia, Ricardo; Coronado, Eugenio; Pinilla-Cienfuegos, Elena; Tatay, Sergio (2010). "Rozsáhlá nanopatterning jednotlivých proteinů používaných jako nosiče magnetických nanočástic". Pokročilé materiály. 22 (5): 588–591. doi:10.1002 / adma.200902568. hdl:10261/45215. PMID  20217754.
  9. ^ Fenwick, Oliver; Bozec, Laurent; Credgington, Dan; Hammiche, Azzedine; Lazzerini, Giovanni Mattia; Silberberg, Yaron R .; Cacialli, Franco (říjen 2009). "Termochemická nanopatternování organických polovodičů". Přírodní nanotechnologie. 4 (10): 664–668. Bibcode:2009NatNa ... 4..664F. doi:10.1038 / nnano.2009.254. ISSN  1748-3387. PMID  19809458.
  10. ^ Wang, Debin; Kim, Suenne; II, William D. Underwood; Giordano, Anthony J .; Henderson, Clifford L .; Dai, Zhenting; King, William P .; Marder, Seth R .; Riedo, Elisa (07.12.2009). "Přímé psaní a charakterizace poly (p-fenylenvinylenových) nanostruktur". Aplikovaná fyzikální písmena. 95 (23): 233108. Bibcode:2009ApPhL..95w3108W. doi:10.1063/1.3271178. ISSN  0003-6951.
  11. ^ Shaw, Joseph E; Stavrinou, Paul N; Anthopoulos, Thomas D (2013). "Vzorování nanostrukturovaných pentacenových tranzistorů na vyžádání skenováním termální litografie". Pokročilé materiály. 25 (4): 552–558. doi:10.1002 / adma.201202877. hdl:10044/1/19476. PMID  23138983.
  12. ^ Wang, Debin; Kodali, Vamsi K; Underwood II, William D; Jarvholm, Jonas E; Okada, Takashi; Jones, Simon C; Rumi, mariacristina; Dai, Zhenting; King, William P; Marder, Seth R; Curtis, Jennifer E; Riedo, Elisa (2009). „Termochemická nanolitografie multifunkčních nanotemplátů pro sestavování nanoobjektů“. Pokročilé funkční materiály. 19 (23): 3696–3702. doi:10.1002 / adfm.200901057.
  13. ^ Carroll, Keith M .; Giordano, Anthony J .; Wang, Debin; Kodali, Vamsi K .; Scrimgeour, Jan; King, William P .; Marder, Seth R .; Riedo, Elisa; Curtis, Jennifer E. (9. července 2013). "Výroba chemických gradientů v nanoměřítku s ThermoChemical NanoLithography". Langmuir. 29 (27): 8675–8682. doi:10.1021 / la400996w. ISSN  0743-7463. PMID  23751047.
  14. ^ Wei, Zhongqing; Wang, Debin; Kim, Suenne; Kim, Soo-Young; Hu, Yike; Yakes, Michael K .; Laracuente, Arnaldo R .; Dai, Zhenting; Marder, Seth R. (11. června 2010). "Nastavitelná redukce oxidu grafenu v grafickém měřítku pro grafenovou elektroniku". Věda. 328 (5984): 1373–1376. Bibcode:2010Sci ... 328.1373W. CiteSeerX  10.1.1.635.6671. doi:10.1126 / science.1188119. ISSN  0036-8075. PMID  20538944. S2CID  9672782.
  15. ^ Kim, Suenne; Bastani, Yaser; Lu, Haidong; King, William P; Marder, Seth; Sandhage, Kenneth H; Gruverman, Alexei; Riedo, Elisa; Bassiri-Gharb, Nazanin (2011). „Přímá výroba libovolných feroelektrických nanostruktur na plastových, skleněných a křemíkových substrátech“. Pokročilé materiály. 23 (33): 3786–90. doi:10.1002 / adma.201101991. PMID  21766356.
  16. ^ Jaschke, Manfred; Butt, Hans-Juergen (1. dubna 1995). "Ukládání organického materiálu špičkou mikroskopu se skenovací silou". Langmuir. 11 (4): 1061–1064. doi:10.1021 / la00004a004. ISSN  0743-7463.
  17. ^ Ginger, David S; Zhang, Hua; Mirkin, Čad A (2004). „Vývoj nanolitografie Dip-Pen“. Angewandte Chemie International Edition. 43 (1): 30–45. CiteSeerX  10.1.1.462.6653. doi:10.1002 / anie.200300608. PMID  14694469.
  18. ^ Piner, Richard D .; Zhu, Jin; Xu, Feng; Hong, Seunghun; Mirkin, Chad A. (1999-01-29). ""Dip-Pen „Nanolitografie“. Věda. 283 (5402): 661–663. doi:10.1126 / science.283.5402.661. ISSN  0036-8075. PMID  9924019.
  19. ^ Nelson, B. A .; King, W. P .; Laracuente, A. R .; Sheehan, P.E .; Whitman, L. J. (2006-01-16). "Přímá depozice kontinuálních kovových nanostruktur pomocí termální dip-penové nanolitografie". Aplikovaná fyzikální písmena. 88 (3): 033104. Bibcode:2006ApPhL..88c3104N. doi:10.1063/1.2164394. ISSN  0003-6951.
  20. ^ Lee, Woo-Kyung; Robinson, Jeremy T .; Gunlycke, Daniel; Stine, Rory R .; Tamanaha, Cy R .; King, William P .; Sheehan, Paul E. (14. prosince 2011). „Chemicky izolované nanoribony grafenu reverzibilně vytvořené ve fluorografenu s použitím masek polymerních nanodrátů“. Nano dopisy. 11 (12): 5461–5464. Bibcode:2011NanoL..11.5461L. doi:10.1021 / nl203225w. ISSN  1530-6984. PMID  22050117.
  21. ^ Lee, Woo Kyung; Dai, Zhenting; King, William P .; Sheehan, Paul E. (13. ledna 2010). "Maskless Nanoscale Writing of Nanoparticle − Polymer Composites and Nanoparticle Assemblies using Thermal Nano Probes". Nano dopisy. 10 (1): 129–133. Bibcode:2010NanoL..10..129L. doi:10.1021 / nl9030456. ISSN  1530-6984. PMID  20028114.
  22. ^ Dagata, J. A .; Schneir, J .; Harary, H. H .; Evans, C. J .; Postek, M. T .; Bennett, J. (1990-05-14). "Modifikace vodíkem pasivovaného křemíku skenovacím tunelovým mikroskopem pracujícím ve vzduchu". Aplikovaná fyzikální písmena. 56 (20): 2001–2003. Bibcode:1990ApPhL..56.2001D. doi:10.1063/1.102999. ISSN  0003-6951.
  23. ^ „Nano-chemie a skenovací nanolitografie - Chemical Society Reviews (RSC Publishing)“. Xlink.RSC.org. Citováno 2015-05-08.
  24. ^ Garcia, R .; Losilla, N. S .; Martínez, J .; Martinez, R. V .; Palomares, F. J .; Huttel, Y .; Calvaresi, M .; Zerbetto, F. (05.04.2010). "Nanopatterning uhlíkatých struktur dělení oxidu uhličitého vyvolaného polem silovým mikroskopem". Aplikovaná fyzikální písmena. 96 (14): 143110. Bibcode:2010ApPhL..96n3110G. doi:10.1063/1.3374885. hdl:10261/25613. ISSN  0003-6951.
  25. ^ Suez, Itai; et al. (2007). „High-Field Scanning Probe Lithography in Hexadecane: Transitioning from Field Induced Oxidation to Solvent Decomposition through Surface Modification“. Pokročilé materiály. 19 (21): 3570–3573. doi:10.1002 / adma.200700716.
  26. ^ Lyuksyutov, Sergei F .; Vaia, Richard A .; Paramonov, Pavel B .; Juhl, Shane; Waterhouse, Lynn; Ralich, Robert M .; Sigalov, Grigori; Sancaktar, Erol (červenec 2003). "Elektrostatická nanolitografie v polymerech pomocí mikroskopie atomové síly". Přírodní materiály. 2 (7): 468–472. Bibcode:2003NatMa ... 2..468L. doi:10.1038 / nmat926. ISSN  1476-1122. PMID  12819776. S2CID  17619099.
  27. ^ Kaestner, Marcus; Hofer, Manuel; Rangelow, Ivo W (2013). „Nanolitografie skenováním sond na molekulárním skle kalixarenu odolává kombinované litografii“. Journal of Micro / Nanolithography, MEMS a MOEMS. 12 (3): 031111. Bibcode:2013JMM & M..12c1111K. doi:10.1117 / 1.JMM.12.3.031111. S2CID  122125593.
  28. ^ Albisetti, E .; Petti, D .; Pancaldi, M .; Madami, M .; Tacchi, S .; Curtis, J .; King, W. P .; Papp, A .; Csaba, G .; Porod, W .; Vavassori, P .; Riedo, E .; Bertacco, R. (2016). „Nanopatterning rekonfigurovatelné magnetické krajiny pomocí termograficky asistované skenovací litografie“ (PDF). Přírodní nanotechnologie. 11 (6): 545–551. Bibcode:2016NatNa..11..545A. doi:10.1038 / nnano.2016.25. hdl:11311/1004182. ISSN  1748-3395. PMID  26950242.
  29. ^ Gartside, J. C .; Arroo, D. M .; Burn, D. M .; Bemmer, V. L .; Moskalenko, A .; Cohen, L. F .; Branford, W. R. (2017). "Realizace základního stavu v umělém kagome rotujícím ledu pomocí topologického defektu řízeného magnetického zápisu". Přírodní nanotechnologie. 13 (1): 53–58. arXiv:1704.07439. Bibcode:2018NatNa..13 ... 53G. doi:10.1038 / s41565-017-0002-1. PMID  29158603. S2CID  119338468.
  30. ^ Wang, Yong-Lei; Xiao, Zhi-Li; Snezhko, Alexey; Xu, Jing; Ocola, Leonidas E .; Divan, Ralu; Pearson, John E .; Crabtree, George W.; Kwok, Wai-Kwong (20. května 2016). "Přepisovatelný led s umělým magnetickým nábojem". Věda. 352 (6288): 962–966. arXiv:1605.06209. Bibcode:2016Sci ... 352..962W. doi:10.1126 / science.aad8037. ISSN  0036-8075. PMID  27199423. S2CID  28077289.
  31. ^ Zhang, Senfu; Zhang, Junwei; Zhang, Qiang; Barton, Craig; Neu, Volker; Zhao, Yuelei; Hou, Zhipeng; Wen, Yan; Gong, Chen; Kasáková, Olga; Wang, Wenhong; Peng, Yong; Garanin, Dmitry A .; Chudnovsky, Eugene M .; Zhang, Xixiang (2018). "Přímý zápis teploty místnosti a mřížky oblohy nulového pole skenováním místního magnetického pole". Aplikovaná fyzikální písmena. 112 (13): 132405. Bibcode:2018ApPhL.112m2405Z. doi:10.1063/1.5021172. hdl:10754/627497.
  32. ^ Ognev, A. V .; Kolesnikov, A. G .; Kim, Yong Jin; Cha, v Ho; Sadnikov, A. V .; Nikitov, S. A .; Soldatov, I. V .; Talapatra, A .; Mohanty, J .; Mruczkiewicz, M .; Ge, Y .; Kerber, N .; Dittrich, F .; Virnau, P .; Kläui, M .; Kim, Young Keun; Samardak, A. S. (2020). "Magnetická přímá Skyrmionova nanolitografie". ACS Nano. 14 (11): 14960–14970. doi:10.1021 / acsnano.0c04748. PMID  33152236.
  33. ^ [1] Nanolitografický systém a metoda skenovací sondy (EP2848997 A1)