برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۴/۰۱ تا ۱۳۹۸/۰۴/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۸۳
  • بازدید این ماه ۳۹
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۳
  • قبول شدگان ۴۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
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 دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

لیتوگرافی میکروسکوپ پروب روبشی (Scanning Probe Lithography) (2)

با ظهور و پیشرفت فناوری نانو، بسیاری از محققان همواره به‌دنبال دستیابی به روشی برای ایجاد تغییر در ساختارهای اتمی و جابجایی اتم‌ها به مناطق دلخواه بوده‌اند. گسترش میکروسکوپ­‌های پروب روبشی که دقت و وضوح بسیار بالایی داشته و برای آنالیز و تصویربرداری سطوح در ابعاد کمتر از 1 نانومتر استفاده می‌شوند، اجرای چنین ایده‌هایی را ممکن ساخته است. امروزه برای نانولیتوگرافی از میکروسکوپ‌های پروب روبشی مانند میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM [Atomic Force Microscopy]) و میکروسکوپ تونلی روبشی (STM [Scanning Tunneling Microscopy]) استفاده می‌شود که همگی زیرمجموعه‌ای از روش لیتوگرافی پروب روبشی ([Scanning Probe Lithography] SPL) هستند. در این روش‌ها، میکروسکوپ‌ها نقش خراشیدن و کندن اتم­‌های سطحی در مناطق خاص، حکاکی یا جابجایی موضعی برخی از اتم‌ها با اتم‌های دیگر، و همچنین تصویربرداری هم‌زمان از سطح ایفا می‌کنند. در این مقاله، به طور اجمالی به معرفی نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروب روبشی پرداخته می‌شود و عوامل مؤثر بر آن مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس انواع میکروسکوپ‌های مورد استفاده در نانولیتوگرافی، مانند AFM و STM و نیز مکانیزم‌های ایجاد خراش،کاربردها، مزایا و معایب این روش‌ها به طور مفصل مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

1- مقدمه

میکروسکوپ­‌های پروب روبشی مانند STM و AFM، ابزار قدرتمندی برای ارزیابی مشخصات سطحی مواد مختلف با دقت بالا هستند. برای آنالیز‌های ساختاری، وضوح AFM در حالت افقی 0/1 آنگستروم و در حالت عمودی 0/05 آنگستروم است. میزان وضوح تصویر STM چندین برابر بیشتر از AFM است. البته، دست‌یابی به چنین وضوح بالایی تنها در سیستم‌­های کریستالی امکان‌پذیر بوده و در مورد سطوح نرم و چسبنده امکان رسیدن به چنین وضوحی وجود ندارد.

لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) یکی از روش­‌های نوین و امیدبخش برای سنتز نانوساختارها به‌شمار می‌رود. با استفاده از میکروسکوپ‌هایی با پروب بسیار تیز و ایجاد برهم­کنش‌­های قوی و موضعی بین پروب و سطح، امکان ایجاد تغییرات اساسی و دلخواه در ساختار اتم‌ها و همچنین تولید الگوهای نانومتری روی سطوح فلزات و نیمه‌رسانا‌ها وجود دارد. روش‌های جدید SPL به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد این فرآیند با سرعت زیادی در حال رشد و توسعه هستند. اگرچه SPL نسبت به سایر روش‎­های لیتوگرافی مانند لیتوگرافی نوری و لیتوگرافی الکترونی سرعت کمتری دارد، ولی به‌دلیل ویژگی منحصربه‌فرد آن مانند سنتز هم‌زمان و تصویربرداری بسیار دقیق، مورد توجه محققان قرار گرفته است. وضوح بالای تصاویر در SPM اساس ایجاد تغییرات مولکولی و نانولیتوگرافی با استفاده از این نوع میکروسکوپ‌ها است. با افزایش برهم‌کنش‌های موضعی مانند نیروی اتمی، دانسیته الکترون‌های تونل‌زنی و استحکام میدان الکتریکی، امکان شکستن پیوندهای شیمیایی به‌طور دلخواه وجود دارد. با کنترل این برهم­کنش‌­های موضعی، دست‌یابی به طرح‌هایی با وضوح بالا و دقت فضایی عالی امکان‌پذیر است.

 

2- نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های تونلی روبشی (STM)

پیش از معرفی روش نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های تونلی روبشی، نیاز به آشنایی با اجزای این دستگاه و نحوه کارکرد آن وجود دارد. در این مقاله به‌طور مختصر به این موضوع اشاره می‌شود. اجزای میکروسکوپ‌های تونلی روبشی و نحوه کارکرد آن به طور مفصل در مقاله "میکروسکوپ‌ تونلی روبشی (1)" بیان شده است. اساس کار میکروسکوپ STM، روبش سطح یک ماده رسانا توسط یک سوزن با نوک بسیار باریک (در مقیاس نانومتری) و تغییر مقدار جریان عبوری برحسب فاصله است. امکان تصویربرداری از نحوه آرایش اتم‌ها در سطح شبکه و مطالعه آرایش فضایی نوار رسانش فلزات و نیمه‌رساناها توسط این میکروسکوپ وجود دارد. جریان مورد استفاده در این میکروسکوپ از نوع مستقیم بوده و اجزای آن شامل سوزن، نگه‌دارنده، کنترل‌کننده الکترونیکی و رایانه می‌باشد. شکل 1 شمایی از اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- شمایی از اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی.

 

 اساس نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های تونلی روبشی، ایجاد پروبی کوچک از الکترون‌های کم ولتاژ توسط سوزن STM است. این پروب با زیرلایه (ویفر) که با یک لایه نازک از جنس ماده‌ای مقاوم پوشش داده شده است، برخورد می‌کند. در این روش، میکروسکوپ معمولاً در حالت نشر میدانی کار می‌کند.

سوزن­‎های STM معمولاً در حد اتمی تیز بوده و از جنس ترکیباتی مانند تنگستن، پلاتین-رودیم یا پلاتین-ایریدیم هستند. فاصله نوک سوزن با سطح نمونه با استفاده از فیدبک‌ها یا بازخوردهای الکترونیکی برای رسیدن به یک سیگنال ثابت (مانند جریان تونل‌زنی یا ارتفاع سوزن) کنترل می‌شود. برای ایجاد تغییرات یا ترسیم طرح روی ماده، ابتدا بایستی پیوند مولکول­‎های مورد نظر شکسته شده و از بقیه مولکول‌های سطح جدا شوند. در عمل برای تنظیم فاصله بین سوزن و سطح از ولتاژ بایاس یا جریان تونلی استفاده می‌شود. جریان تونلی تابعی از فاصله بین سوزن و سطح بوده و با افزایش فاصله به‌طور نمایی کاهش می‌یابد. به‌طور کلی، تاکنون چهار مکانیزم برای ایجاد تغییرات روی ساختار مولکول­‎ها با استفاده از STM معرفی شده است. شمایی از این مکانیزم‌ها در شکل 2 نشان داده شده است. برای ایجاد تغییرات در تک‌مولکول‌ها، از نیروهای بین اتمی و بین‌مولکولی میان سوزن و سطح نمونه استفاده می‌شود. با استفاده از جریان‌های تونلی، امکان شکستن یا تشکیل پیوندهای شیمیایی در سطحی با عمق کمتر از 1 نانومتر به‌طور موضعی وجود دارد.

 

شکل 2- شمایی از مکانیزم‌های معرفی‌شده برای ایجاد تغییر در ساختار مولکول‌ها توسط سوزن STM.

 

همان‌طور که اشاره شد، در روش لیتوگرافی با STM مانند سایر روش‌های لیتوگرافی، از پوشش یک ماده مقاوم روی یک زیرلایه استفاده می‌­شود. برای تهیه تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی، از دو حالت کاری "جریان ثابت" و "ارتفاع ثابت" استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد حالات کاری میکروسکوپ تونلی روبشی به مقاله "میکروسکوپ تونلی روبشی (2)" مراجعه کنید.  هنگامی‌که STM در حالت جریان ثابت کار می‌کند، فاصله بین سوزن و نمونه تقریباً با ولتاژ اعمالی متناسب است. اندازه مؤثر پروب نیز با فاصله سوزن از نمونه و همچنین مقدار ولتاژ بین سوزن و نمونه تعیین می‌شود. در این روش، فرآیند لیتوگرافی با استفاده از پروب الکترونی با ولتاژ کم و بدون پراکندگی الکترونی انجام می‌شود.

یکی از محدودیت‌­ها و چالش‌های لیتوگرافی STM در حالت جریان ثابت، دستیابی به حالت جریان ثابت بین سوزن و نمونه است. ضخامت و میزان رسانایی پوشش ماده مقاوم روی زیرلایه و نیز کیفیت سطح زیرلایه از عوامل مؤثر در دستیابی به جریان ثابت هستند. یک راهکار عملی برای غلبه بر این چالش، استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا (Conductive AFM Probes) است. در این حالت وضعیت سوزن با نیروی بین سوزن و نمونه کنترل می‌شود که مستقل از جریان و ولتاژ بین سوزن و نمونه است. از آن‌جایی‌ که سیلیکون در حالت بالک یک ماده نیمه‌رسانا با هدایت الکتریکی مناسب به‌شمار می‌رود، برای تولید سوزن با هدایت الکتریکی بالا، سطح سوزن با لایه نازکی از سیلیسیم با ضخامت 2-1 نانومتر پوشش داده می‌شود. همچنین، با استفاده از سوزن با هدایت الکتریکی بالا می‌توان به‌طور همزمان توپوگرافی و توزیع جریان (رسانایی) در سرتاسر سطح یک ماده حتی در شرایط محیطی را بررسی کرد. تصویر SEM از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی در شکل 3 نشان داده شده است.

 

شکل 3- تصویر SEM از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا.

 

3- نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌ AFM

میکروسکوپ نیروی اتمی، دستگاهی است که برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در ابعاد نانومتر به‌کار می‌رود. اصول کار AFM به این صورت است که یک سوزن بسیار تیز و ظریف به نوک یک شیئ انعطاف‌پذیر به نام کانتیلیور (Cantiliver) متصل شده و از سویی دیگر کانتیلیور به یک بازوی پیزوالکتریک وصل می‌شود. هنگام برخورد سوزن به سطح نمونه، نیرویی به سوزن وارد می‌شود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزن از سطح و همچنین نوع سطح است.

در سال‌های اخیر لیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی بسیار مورد توجه قرار گرفته و پژوهش‌های فراوانی برای بررسی حکاکی به صورت نانولیتوگرافی با پروب‌های تیز AFM انجام گرفته است. سوزن AFM کاربردهای نوین و گسترده‌ای دارد. حمل کاتالیست‌ها به نقاط فعال سطحی به صورت انتخابی یکی از این کاربردها است. همچنین می‌توان از این سوزن‌ها، مانند آن‌چه در روش نانولیتوگرافی قلم آغشته (DPN[Dip-Pen Nanolithography]) رخ می‌دهد، به عنوان یک قلم برای اتصال مولکول­‌ها بر روی سطوح استفاده کرد. در روش نانولیتوگرافی قلم آغشته، کشش سطحی آب موجود بین سوزن و سطح نمونه باعث انتقال کنترل‌شده مولکول­‎ها از سوزن پوشش‌دهی شده با مایع به سطح موردنظر می‌شود. اگر آب منتقل‌شده برای ایجاد طرح، با سطح واکنش داده و به‌طور شیمیایی جذب آن شود، نانوساختار پایداری تولید می‌شود. همچنین، می‌توان از سوزن­ AFM به‌عنوان الکترود برای اکسیداسیون مستقیم و موضعی سطوح نیز استفاده کرد. شمایی از روش نانولیتوگرافی قلم آغشته در شکل 4 نشان داده شده است. 

 

شکل 4- شمایی از روش نانولیتوگرافی قلم آغشته.

 

از جمله مزایای نانو لیتوگرافی با AFM می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

- قابلیت اجرا در شرایط عادی محیطی

- عدم نیاز به تجهیزات پیچیده

- روش کاربردی با قابلیت صنعتی‌سازی برای سنتز نانوساختارها

- توانایی سنتز قطعاتی با ابعاد کمتر از 10 نانومتر

- قابلیت تصویربرداری با وضوح بسیار بالا به صورت فضای واقعی با دقت نانومتری

علی‌رغم مزایای ذکر‌شده، روش نانولیتوگرافی با AFM دارای سرعت پایینی بوده و لذا در سال‌های اخیر استفاده موفقیت‌آمیز از آن با مشکلاتی مواجه شده است. البته پژوهش‌ها نشان داده‌اند که با استفاده از آرایه­‌ای از پروب‌های موازی، سرعت و بازده این روش تا حد زیادی بهبود می‌یابد. سنتز نانوساختارها با روش AFM دارای سه زیرشاخه است که مبتنی بر نیروهای موضعی هستند. این روش‌ها شامل نانوخراش، پیوند‌زنی در مقیاس نانومتری  یا نانوپیوند‌زنی (Nanografting) و نانو قلم خواننده و نگارنده (NanoPen Reader and Writer, NPRW) است. شمایی از نحوه عملکرد این روش‌ها برای سنتز نانوساختارها با استفاده از میکروسکوپ AFM در شکل 5 نشان داده شده‌ است. در این روش‌ها نقاط مورد نظر برای سنتز، در نواحی مسطح و صاف انتخاب می‌شوند. ابتدا ساختار سطح تحت یک نیرو یا بار اندک شناسایی شده و سپس نانوطرح مورد نظر با اعمال نیروی بیشتر ایجاد می‌شود. در ادامه به‌طور مفصل به مکانیزم حاکم بر این سه روش و هم‌چنین مزایا و معایب آن‌ها پرداخته خواهد شد.

 

شکل 5- شمایی از سه روش لیتوگرافی با AFM : (الف) نانوخراش، (ب) پیوند‌زنی در مقیاس نانومتری و (پ) نانوقلم خواننده و نگارنده. تصاویر ردیف بالا و پایین، تصاویر قبل و بعد از تولید بوده و تصاویر ردیف وسط نشان‎دهنده فرآیند تولید است.

 

نانولیتوگرافی با AFM کاربرد گسترده‌ای در حوزه‌های نانوالکترونیک و نانوبیوتکنولوژی دارد. پژوهش‌های موفقیت‌آمیزی در زمینه سنتز نانوطرح‎­های مختلف در سیستم‌های زیستی (بیوسیستم‌ها) مانند پروتئین­‌ها و DNA صورت گرفته است.  شمایی از نحوه سنتز DNA توسط AFM در شکل 6 نشان داده شده است. 

 

شکل 6- شمایی از نحوه سنتز DNA توسط AFM.

 

1-3- ایجاد خراش و نانوشیار

از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی AFM برای محو یا پاک‌کردن مواد در مقیاس نانومتری استفاده می‌شود. در حالت اول (مکانیکی)، ماده با ایجاد خراش یا شیار توسط سوزن AFM به طور مستقیم کنده می‌شود. در حالت دوم (شیمیایی)، ماده با فرآیند اچ الکتروشیمیایی القایی سوزن خارج می‌شود. در حالت مکانیکی، با اعمال نیروی نسبتاً زیاد به سوزن یا کنترل انحنای کانتیلیور در طی روبش، امکان ایجاد خراش‌ها و شیارهایی با پهنا و عمق چند نانومتر توسط سوزن AFM روی سطوحی با ترکیب شیمیایی و سختی‌ مختلف مانند فلزات، اکسیدها و نیمه‌­رسانا‌­ها وجود دارد. یکی از محدودیت‌های اصلی روش مکانیکی، کم‌بودن عمق خراش ‌و شیارهای ایجاد‌شده به دلیل پیشگیری از ایجاد آسیب یا کاهش عمر سوزن AFM است. شکل 7 تصویر AFM از نانوخراش ایجاد‌شده روی سطح مشخصی را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- تصویر AFM از نانوخراش ایجاد شده روی یک سطح مشخص.

 

2-3- نانو‌پیوند‌زنی

این روش اولین بار در سال 1997 با ادغام AFM و شیمی سطح جذب تیول بر روی سطوح طلا توسعه یافت. برای مطالعه بیشتر در مورد تیول‌ها به پیوست 1 در انتهای متن مراجعه کنید. در این روش با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول­‌های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می‌شوند. مولکول‌های تیول موجود در محلول نیز سریعاً توسط سطح تازه و بدون محافظ طلا جذب شده و روبش سوزن AFM را برای ایجاد طرح نانوساختار مطلوب دنبال می‌کنند. همچنین می‌توان از نانوطرح ایجاد‌شده به صورت درجا، با همان سوزن AFM (البته با نیرویی کمتر) تصویربرداری کرد.

روش نانوپیوند‌زنی به‌دلیل برخورداری از ویژگی‌های منحصر به فرد، به عنوان ابزاری جدید و قدرتمند در شیمی فیزیک سطح شناخته می‌شود. مهمترین مزایای این روش به قرار زیر است:

· این روش قابلیت استفاده در محیط­‌های شیمیایی متنوع را داشته و می‌توان با استفاده از آن تصاویر مولکولی با وضوح زیاد تهیه کرده و واکنش­‌های سطح را به‌صورت مستقیم و همزمان دنبال کرد.

· نانوپیوند‌زنی روش مناسبی برای بررسی مکانیزم‌ها، سینیتیک و محصولات واکنش است.

· می‌توان با استفاده از روش نانوپیوند‌زنی نانوساختارهایی از مواد کاربردی سنتز کرد.

· امکان ایجاد طرح‎­های نانوساختار سه بعدی و انتقال طرح از طریق واکنش‌های سطح با استفاده از این روش وجود دارد.

 

3-3- نانوقلم خواننده و نگارنده

با پیشرفت روزافزون روش نانوپیوند‌زنی، نانوقلم­‌های خواننده و نگارنده امکان پیوند‌زنی نانومتری در شرایط محیطی یا خنثی را فراهم کرده است. در روش نانوقلم خواننده و نگارنده، ابتدا واکنش‌دهنده­‎های مورد نظر روی سوزن AFM پوشش داده می‌شوند، سپس سوزن تحت نیروی کم شروع به تصویربرداری می‌کند. پس از آن، سوزن با اعمال نیروی زیاد ماده موردنظر را جایگزین مولکول‌­های ماده مقاوم پوشش‌دهی شده روی سطح زیرلایه می‌کند.

این روش مانند سایر روش‎­های لیتوگرافی پروب روبشی، دارای مزایای زیادی برای استفاده در علم مواد و نانوتکنولوژی است. وضوح تصاویر سه‌بعدی در این روش بسیار بالا بوده و در نتیجه امکان سنتز و تعیین خصوصیات ساختارهای کوچک‌تر از 100 نانومتر را فراهم می‌سازد. به عبارت دیگر، می‌توان هم‌زمان با سنتز نانوساختارها، تصاویری با وضوح بالا از آن‌ها تهیه کرد.

استفاده از نرم‌­افزارها و دیجیتالی کردن فرآیند باعث بهبود عملکرد فرآیند نانولیتوگرافی به صورت خودکار شده و بازده این روش‌ در سنتز مواد، آرایه‌­ها و نانوساختارهای پیچیده را ارتقا داده است. علاوه بر این، در این روش‌ها می‌توان با تغییر محلول یا پوشش سوزن، ترکیبات متفاوتی سنتز کرد. البته، امکان تغییر یا اصلاح طرح موردنظر به‌صورت هم‌زمان و بدون نیاز به تغییر پوشش سوزن یا تکرار فرآیند نیز وجود دارد.

 

4- نتیجه‌­گیری

میکروسکوپ­‌های پروب روبشی مانند STM و AFM، ابزار قدرتمندی برای ارزیابی دقیق مشخصات سطحی مواد مختلف به شمار می‌رود. در این مقاله به بررسی انواع روش‌های لیتوگرافی پروب روبشی مانند میکروسکوپ تونلی روبشی و میکروسکوپ نیروی اتمی و همچنین کاربردها، مزایا و محدودیت‌های این روش‌ها پرداخته شده است. اساس کار میکروسکوپ تونلی روبشی، روبش سطح یک ماده رسانا توسط سوزنی با نوک بسیار باریک (در مقیاس نانومتری) و تغییر مقدار جریان عبوری برحسب فاصله است. امکان تصویربرداری از نحوه آرایش اتم‌ها در سطح شبکه و مطالعه آرایش فضایی نوار رسانش فلزات و نیمه‌رساناها توسط این میکروسکوپ وجود دارد. اساس نانولیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ‌های تونلی روبشی، ایجاد پروبی کوچک از الکترون‌های کم ولتاژ توسط سوزن STM است. این پروب با زیرلایه (ویفر) که با یک لایه نازک از جنس ماده‌ای مقاوم پوشش داده شده است، برخورد می‌کند. چهار مکانیرم برای ایجاد تغییرات روی ساختار مولکول­‌ها با استفاده از STM معرفی شد. همچنین، استفاده از سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا برای غلبه بر چالش موجود در STM معرفی شد. لیتوگرافی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی دارای سه زیرشاخه اصلی مبتنی بر نیروهای موضعی شامل نانوخراش، نانوپیوند‌زنی و نانو‌قلم خواننده و نگارنده است. از ابزارهای مکانیکی و شیمیایی AFM برای ایجاد نانوخراش استفاده می‌شود. در روش نانوپیوند با افزایش نیروی اعمالی در طی روبش، مولکول‌های تیول زمینه توسط سوزن جدا شده و به حلال منتقل می‌شوند. در روش نانوقلم خواننده و نگارنده ابتدا واکنش‌دهنده‌­های مورد نظر روی سوزن AFM پوشش داده شده و سپس سوزن تحت نیروی کم شروع به تصویربرداری می‌کند. پس از آن، سوزن با اعمال نیروی زیاد ماده مورد نظر را جایگزین مولکول‌های ماده مقاوم پوشش‌دهی شده روی سطح زیرلایه می‌کند. در نهایت، مزایا و معایب این سه روش مورد بحث و بررسی قرار گرفت.

 

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).