برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۶,۱۵۸
  • بازدید این ماه ۸۳
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۱۱
  • قبول شدگان ۴۰۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۰۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning Probe Lithography)

با ظهور و پیشرفت نانوفناوری، امکان دستیابی به روشی برای دستکاری ساختارهای اتمی و جابجایی اتم ها به مناطق دلخواه، همواره مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. با گسترش میکروسکوپ های پروب روبشی با دقت و وضوح تصویر فضایی بسیار بالا، برای آنالیز و تصویربرداری سطحی در ابعاد 1 نانومتر و کمتر، ایده دستکاری و جابجایی اتم ها با استفاده از این امکانات نیز مطرح و بررسی گردید. امروزه در زمینه  نانولیتوگرافی از میکروسکوپ های پروب روبشی نظیر  (AFM=Atomic Force Microscopy) و ( STM=Scanning Tunneling Microscopy) برای ایجاد خراش و کندن اتم های سطحی در مناطق خاص، حکاکی و یا جابجایی برخی اتم-های موضعی با اتم های مورد نظر، همزمان با تصویربرداری از سطح، استفاده می شود، که تحت عنوان لیتوگرافی پروب روبشی (SPL= Scanning Probe Lithography) شناخته می شوند. در این مقاله به معرفی روش نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی پرداخته خواهد شد و معایب، مزایا و کاربردهای آن ارائه خواهد شد.
1- مقدمه :
میکروسکوپ های پروب روبشی مانند STM و AFM، به عنوان روش هایی قدرتمند برای تجسم سطوح مواد با بالاترین وضوح تصویر فضایی شناخته شده اند. در مورد آنالیز ساختاری، AFM دارای وضوح 0.1 انگسترومی در حالت افقی و 0.05 انگسترومی در حالت عمودی می‌باشد. در حالی که میزان وضوح تصویر STM چند برابر بیشتر از AFM است. این وضوح تصویر ها مربوط به سیستم های کریستالی است، که در مورد سطوح نرم و چسبنده دستیابی به وضوح تصویر های بالا امکان پذیر نمی باشد [1].
در میان روش های ساخت نانوساختارهای موجود، لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یکی از روش های بسیار نویدبخش برای تولید در مقیاس نانو می باشد. با استفاده از سوزن های تیز و شارپ و همچنین ایجاد برهم کنش های قوی و موضعی بین سوزن-سطح، می توان از(SPM=Scanning Probe Microscopy) به عنوان روشی برای دستکاری اتم ها بر روی سطوح فلزات و تولید نانوالگوها بر روی سطوح فلزات و نیمه هادی ها استفاده نمود، که این موضوع سبب تسریع در ظهور تکنیک‌های جدید SPL گردیده است. با این حال SPL نمی تواند به سرعت روش هایی همچون لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی الکترونی الگوها را تولید کند. اما این روش به علت توانایی در تولید و ایجاد تصویر به طور همزمان و با دقت بسیار بالا، مورد توجه محققان قرار گرفته است [2و1].

دستیابی به وضوح تصویر بالا اساس دستکاری مولکولی و نانولیتوگرافی بر اساس SPM می باشد. اصولاً با افزایش برهم کنش های موضعی همچون نیروی اتمی، دانسیته الکترون های تونل زنی و یا استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن انتخابی پیوندهای شیمیایی فراهم می شود که جزئیات روش در کنترل این برهم کنش های موضعی، اساس دستیابی به طرح های شارپ با دقت فضایی بالا می باشد [2و1].

2- نانولیتوگرافی بر مبنای STM :
در این روش، سوزن STM یک پروب کوچک از الکترون های کم ولتاژ را ایجاد می کند که بر ویفر پوشش داده شده با لایه نازک از ماده مقاوم برخورد می کند و در این تکنیک STM بیشتر در حالت نشر میدانی کار می کند.

عنوان : کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) در نانولیتوگرافی

توضیحات : یکی از کاربردهای میکروسکوپ تونلی روبشی(STM)، نانولیتوگرافی می باشد که در ویفر پوشش داده شده با لایه نازک، الکترون ها با انرژی کم (120ev) واکنش شیمیایی انجام می دهند و مواد حاصل از واکنش، در دماهای بالا تبخیر شده و زیرلایه ی تمیزی حاصل می گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1:کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) در نانولیتوگرافی

سوزن های STM معمولاً در حد اتمی تیز بوده و از جنس ترکیباتی نظیر سیم های تنگستنی، Pt-Rh و یا Pt-Ir می باشند. فاصله سوزن-سطح با استفاده از فیدبک الکترونیکی برای رسیدن به یک سیگنال فیدبک ثابت (مانند جریان تونل زنی یا ارتفاع سوزن) کنترل می شود. برای رفتن به آنسوی تصویرسازی و رسیدن به دستکاری یا تولید، پیوند مولکول یا مولکول های انتخاب شده باید شکسته شده و از مابقی مواد سطح جدا شوند. به عبارت بهتر، پیوندهای موضعی باید ضعیف یا شکسته شوند. به صورت عملی تنظیم جدایش سوزن-سطح با استفاده از ولتاژ بایاس یا جریان تونل زنی صورت می گیرد. جریان تونل زنی به فاصله جدایش وابسته است که یک رابطه نمایی منفی را دنبال می کند. چهار مکانیسم ممکن برای دستکاری مولکول ها بوسیله STM در شکل 1 آورده شده است. اصولاً دستکاری تک مولکولی، از نیروهای بین اتمی و بین مولکولی بین سوزن و سطح نمونه ها استفاده می کند. روش های تولیدی که شامل شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی هستند، از جریان تونلی که به شدت موضعی شده است، حدود 1 نانومتر و کمتر، استفاده می کنند [1].

عنوان : کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) در نشست اتمی

توضیحات : از کاربردهای میکروسکوپ تونلی روبشی در دستکاری اتم ها، تکنیک نشست اتمی می باشد که در آن، اتم های مورد نظر با اعمال ولتاژ مناسب به نوک سوزن متصل می گردند و با معکوس کردن قطبیت ولتاژ، الکترون های تونلی پیوند را شکسته و باعث جدا شدن اتم ها و رسوب کردن آن بر روی سطح نمونه می شود.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2:کاربرد میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) در نشست اتمی

filereader.php?p1=main_43c2f21200936f4fb
تصویر 1 -شماتیکی از چهار مکانیسم لیتوگرافی STM یا دستکاری مولکول¬ها بوسیله سوزن [1].

لیتوگرافی باریکه الکترونی بر مبنای STM، به مانند دیگر روش‌های لیتوگرافی بر روی ماده مقاوم قرار گرفته بر روی یک زیرلایه، انجام می شود. تا زمانی که STM در حالت جریان ثابت کار می کند، جدایش سوزن – نمونه تقریباً متناسب با ولتاژ اعمالی است. اندازه مؤثر پروب با میزان نزدیکی سوزن و نمونه و همچنین با ولتاژ سوزن – نمونه تعیین می شود. در این روش، لیتوگرافی باریکه الکترونی بدون هیچگونه پراکندگی الکترونی با استفاده از پروب الکترونی با ولتاژ کم انجام می شود [3].

یکی از محدودیت های این روش، از جریان بین سوزن – نمونه نشأت می گیرد که برای تابش به ماده مقاوم و همچنین برای رسیدن به حالت جریان ثابت بین سوزن – نمونه استفاده می شود. علاوه براین، لیتوگرافی با ضخامت و هدایت ماده مقاوم و سطح زیرلایه محدود می شود. برخی از این محدودیت ها با استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی برای لیتوگرافی قابل رفع می باشد. در این حالت وضعیت سوزن با نیروی سوزن – نمونه کنترل می شود که مستقل از جریان و ولتاژ سوزن - نمونه مورد نیاز برای تابش به ماده مقاوم می باشد [3].

3- نانولیتوگرافی بر مبنای AFM :
لیتوگرافی بر پایه AFM در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات فراوانی جهت بررسی حکاکی به صورت نانولیتوگرافی با سوزن جستجوگر تیز با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی انجام گرفته است [4و1]. سوزن AFM می تواند برای حمل کاتالیست به نقاط واکنشی فعال سطحی به صورت انتخابی استفاده شود، یا به صورت یک قلم برای اتصال مولکول ها بر روی سطوح، در روشDPN(Dip-Pen Nanolithography) و روش های مشتق شده از آن به کار رود. در روش DPN کشش سطحی آب که به صورت طبیعی بین سوزن و سطح شکل می گیرد، سبب انتقال کنترل شده مولکول ها از سوزن پوشیده شده با مایع به سطح مورد هدف می شود. اگر مایع منتقل شده برای ایجاد طرح با سطح واکنش دهد، در اثر جذب شیمیایی انجام شده، یک نانوساختار پایدار تولید می شود. همچنین از سوزن های AFM به عنوان الکترود برای اکسیداسیون موضعی مستقیم سطوح نیز استفاده می شود [5و2و1].

عنوان : کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در اکسلیش آندی

توضیحات : از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) بعنوان الکترود در اکسایش آندی استفاده می شود. در شرایط متعارفی، ولتاژی بین سوزن و نمونه اعمال می شود. وقتی سوزن به اندازه کافی به نمونه نزدیک شد، قطرات آب موجود در محیط فرایند اکسیداسیون را تسریع می کنند. نمونه دراکسایش آندی بعلت برقرای جریان الکتریکی، بایستی رسانا باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 2 : کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در اکسلیش آندی

روش AFM مزایایی دارد که می توان اینگونه بیان نمود: اول اینکه روشی است که تحت شرایط محیطی قابل انجام است و به تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد. دوم اینکه لیتوگرافی AFM به عنوان یکی از روش های ساخت نانوساختارها، قادر به تولید قطعاتی با ابعاد 10 نانومتر و کمتر می باشد. سوم اینکه AFM می تواند تصاویری با وضوح تصویر بالا و به صورت فضای واقعی با دقت هم ترازی نانومتری برای سطوح خارجی تولید کند.

عنوان : رزولوشن عرضی و عمودی در میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

توضیحات : میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، می تواند تصاویر سه بعدی با وضوح و تطبیق پذیری بالا ایجاد کند. رزولوشن در AFM دارای دو مقیاس عرضی و عمودی است که رزولوشن عرضی براساس ساختار هندسی سوزن روبش کننده و رزولوشن عمودی براساس ارتعاشات نسبی سوزن بالای نمونه می باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 3 : رزولوشن عرضی و عمودی در میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

در طی سال ها به صورت تجربی ثابت شده که با استفاده از آرایه ای از سوزن های جستجوگر موازی می توان سرعت و بازده را نیز بهبود بخشید [4و2].

با استفاده از نیروهای موضعی، تکنیک های دیگری برای تولید نانوساختارها با روش AFM ایجاد گردیده است. شکل 2، تصویر شماتیکی را از سه تکنیک از روش های ساخت نانوساختارها بر مبنای AFM نشان می دهد: نانوخراش، نانوپیوند (Nanografting) و نانوقلم خواننده و نگارنده (NPRW= NanoPen Reader and Writer). در این روش ها ابتدا ساختار سطح تحت یک نیرو یا بار کم شناسایی می شود. مواضع تولید، معمولاً در مواضع مسطح و صاف، انتخاب می شوند و سپس نانوطرح تحت یک نیروی بالا ایجاد می شود [1].

filereader.php?p1=main_81bf10be6a9c1f1a4
شکل 2 - تصویر شماتیکی از سه روش لیتوگرافی بر پایه AFM ، تصاویر ردیف بالا و پایین به ترتیب تصاویر قبل و بعد از تولید می باشند و تصاویر ردیف وسط فرآیند تولید را نشان می دهد [1].

کاربرد نانولیتوگرافی بر پایه AFM در زمینه نانوالکترونیک و نانوبیوتکنولوژی بسیار نوید بخش است. کارهای اولیه به صورت موفقیت آمیزی در زمینه تولید نانوطرح های بیوسیستم مانند پروتئین ها و DNA صورت گرفته است [1].

عنوان : کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در تصویربرداری از سلول زنده

توضیحات : امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در زمینه هایی مانند میکروبیولوژی، ژنتیک، بیولوژی ملکولی و داروشناسی کاربرد دارد. علاوه بر تصویر برداری از اجسام بیولوژی در محیط های مختلف، برای تصویربرداری از فرایندها در چرخه زندگی یک سلول(مانند سلولهای زنده ریه موش صحرایی)، روشی ایده آل است.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 4 : کاربرد میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) در تصویربرداری از سلول زنده

3-1- ایجاد خراش و نانوشیار:
از AFM برای خارج کردن مواد در مقیاس نانو با استفاده از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی نیز استفاده می شود. در حالت اول (مکانیکی)، ماده به صورت مستقیم با ایجاد خراش یا شیار توسط سوزن کنده می شود. در حالت دوم، ماده با استفاده از اچ الکتروشیمیایی القایی سوزن خارج می شود. در حالت مکانیکی، با اعمال میزان نسبتاً بالایی از نیرو به سوزن یا با کنترل انحنای کانتیلور در طی روبش، سوزن AFM قادر به ایجاد خراش بر روی سطوحی با سختی های متفاوت مانند فلزات، اکسیدها و نیمه هادی ها می باشد که در نهایت شیارهایی با پهنا و عمق چند نانومتر بر روی سطح تولید می شود [4و1]. 

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3 - تصویر AFM از یک نانوخراش [4].

یکی از محدودیت های اصلی در روش مکانیکی مستقیم، عمق کم شیارهای ایجاد شده می باشد، زیرا نیروهای اعمال شده به سوزن، به علت امکان آسیب سوزن یا کاهش عمر آن، نمی تواند زیاد باشد [4].

3-2- نانو پیوند :
تکنیک نانوپیوند اولین بار در سال 1997 توسط گروه Liu توسعه داده شد. در این گزارش، محققان AFM را با شیمی سطح جذب تیول بر روی سطوح طلا، ترکیب کردند. در این روش با یک تصویرسازی تحت نیروی کم از یک تک لایه خودسامان دهنده (SAM) آلکن تیول در محیطی مایع حاوی نوع دیگری از تیول شروع می-شود. با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول¬های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می شوند. مولکول های تیول موجود در محلول نیز سریعاً توسط سطح تازه بی حفاظ طلا جذب می شوند که روبش سوزن AFM را برای ایجاد طرح نانوساختار مطلوب دنبال می کنند. نانوطرح ایجاد شده می تواند به صورت درجا با همان سوزن AFM البته با نیروی کاهش پیدا کرده، بررسی شود [4و1].

جنبه های منحصر به فردی، نانوپیوند را تبدیل به یک ابزار جدید و قدرتمند در شیمی فیزیک سطح نموده است. نانوپیوند می تواند در محیط های شیمیایی متنوع کار کند که آن را قادر می سازد تا با وضوح تصویر مولکولی و به صورت مستقیم واکنش های سطح را دنبال کرده و همزمان آن را مانیتور کند. در نتیجه یک روش مستعد برای کشف مکانیسم ها، سینیتیک (سرعت) و محصولات واکنش می باشد. همچنین نانوپیوند امکان تولید نانوساختارهایی با استفاده از مواد کاربردی در علم مواد را فراهم می کند. امکان ایجاد طرح های نانوساختار سه بعدی و انتقال طرح توسط واکنش سطح بیشتر، با استفاده از این روش نیز وجود دارد [4].

3-3- نانوقلم خواننده و نگارنده :
پس از ابداع نانوپیوند، پیشرفت هایی در این زمینه مورد تحقیق قرار گرفت. نانوقلم ها به عنوان خواننده و نگارنده امکان ایجاد نانوپیوند را در شرایط محیطی یا خنثی فراهم کردند. در تکنیک نانوقلم خواننده/نگارنده، ابتدا واکنش دهنده های مطلوب بر روی پروب AFM قرار می گیرند (به صورت پوشش). سپس پروب تحت نیروی کم تصویربرداری کرده و بعد از آن تحت نیروی زیاد، ماده مطلوب را بر روی سطح ماده، جایگزین مولکول های ماده مقاوم می کند [4و1].

مانند سایر روش های لیتوگرافی پروب روبشی مانند لیتوگرافی بر پایه STM و روش نانوپیوند، NPRW نیز مزایای زیادی برای استفاده در صنعت علم مواد و نانوتکنولوژی دارد. به عنوان مثال، وضوح تصویر سه بعدی این روش بالاست. بنابراین تولید و تعیین خصوصیات ساختارهای کوچکتر از 100 نانومتر امکان پذیر است. نانوساختارها همزمان با تولید، با وضوح تصویر بالایی آنالیز نیز می شوند.

عنوان : تهیه تصاویر سه بعدی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

توضیحات : بدلیل وضوح بالای تصاویر بدست آمده از میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، امکان تعیین خصوصیات ساختارهای ناننومتری از این طریق وجود دارد. AFM در مقایسه با انواع دیگر میکروسکوپ های روبشی، روشی مناسب برای بهترین تفکیک پذیری و تطبیق پذیری می باشد که برای محدوده وسیعی از مواد، تصاویر توپوگرافی با کنتراست بالا ایجاد می کند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 5 : تهیه تصاویر سه بعدی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

نرم افزارها و دیجیتالی نمودن، به صورت چشمگیری سبب بهبود اتوماته شدن نانولیتوگرافی برای تولید محصولاتی با بازده بالا و آرایه ها و نانوساختارهای پیچیده شده است. ترکیبات متفاوتی نیز با تغییر محلول یا پوشش سوزن قابل تولید هستند. نهایتاً امکان تغییر یا اصلاح طرح به صورت همزمان بدون نیاز به تغییر ماسک یا تکرار فرآیند تولید، امکان پذیر است [4و1].

نتیجه گیری:
میکروسکوپ های پروب روبشی همچون STM و AFM ابزار بسیار مناسبی برای دستکاری و لیتوگرافی در مقیاس نانو می باشند. با استفاده از کنترل جریان تونل زنی و فاصله جدایش سوزن و نمونه در STM، می توان پیوندهای سطحی را به صورت موضعی ضعیف یا حذف نموده و طرح مورد نظر را بر روی ماده مقاوم ایجاد نمود. در مورد AFM، با تغییر نیروی سوزن و محیط روبش، می توان حالت های مختلفی را ایجاد نمود که بر طبق آن طرح های متفاوتی نیز قابل دستیابی است. از جمله آنها می  توان به خراش هایی در ابعاد نانو، جابجایی مولکول های سطحی با مولکول های مورد نظر و نگاشتن بر روی سطح اشاره نمود. از مزایای این روش ها می توان به وضوح تصویر بسیار بالای طرح های تولیدی، امکان ایجاد طرح های دو بعدی و سه بعدی با دقت ابعادی بسیار بالا، امکان بررسی و آنالیز سطح همزمان با فرآیند تولید و امکان تولید ساختارهای پیچیده با ترکیبات متفاوت اشاره کرد.

منابـــع و مراجــــع

1. Zhang, J.Z., Wang, Z.L., Liu, J., Chen, S., Liu, G.Y. “Self-Assembled Nanostructures”, USA, Kluwer Academic Publishers, (2004).

2. Ventra, M.D., Evoy, S., Heflin‚ J.R. “Introduction to Nanoscale Science and Technology”, USA, Kluwer Academic Publishers, (2004).

3. Edelstein, A.S., Cammarata, R.C. “Nanomaterials:Synthesis, Properties and Applications”, USA, Institute of Physics Publishing, (1996).

4. Guo, Z., Tan, L. “Fundamentals and Applications of Nanomaterials”, USA, Artech House, (2009).

5. Mongillo, J. “Nanotechnology 101”, UK, GreenWood Press, (2007).

نظرات و سوالات

نظرات

3 0

مهدی شیردل - ‏۱۳۹۲/۱۰/۰۲

خیلی عالی بود. دستتون درد نکنه