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Nanolitografía termoquímica

La nanolitografía termoquímica ( TCNL ) o litografía termoquímica con sonda de barrido ( tc-SPL ) es una técnica de nanolitografía basada en microscopía de sonda de barrido que desencadena reacciones químicas activadas térmicamente para cambiar la funcionalidad química o la fase de las superficies . Los cambios químicos se pueden escribir muy rápidamente a través del escaneo rápido de la sonda, ya que no se transfiere masa desde la punta a la superficie y la velocidad de escritura está limitada solo por la tasa de transferencia de calor [ cita requerida ] . La TCNL fue inventada en 2007 por un grupo del Instituto de Tecnología de Georgia. [1] Riedo y colaboradores demostraron que la TCNL puede producir cambios químicos locales con tamaños de características de hasta 12 nm a velocidades de escaneo de hasta 1 mm/s. [1]

En 2013 se utilizó el TCNL para crear una réplica a escala nanométrica de la Mona Lisa "pintada" con diferentes temperaturas en la punta de la sonda. El retrato, llamado Mini Lisa , medía 30 micrómetros (0,0012 pulgadas), aproximadamente 1/25 000 del tamaño del original. [2] [3]

Técnica

Los voladizos térmicos AFM generalmente se fabrican a partir de obleas de silicio mediante procesos tradicionales de micromecanizado de superficie y en masa . Mediante la aplicación de una corriente eléctrica a través de sus alas de silicio altamente dopado , se produce un calentamiento resistivo en la zona de dopaje ligero alrededor de la punta de la sonda, donde se disipa la mayor fracción de calor. La punta puede cambiar su temperatura muy rápidamente debido a su pequeño volumen; una punta promedio en contacto con policarbonato tiene una constante de tiempo de 0,35 ms. [ cita requerida ] Las puntas pueden ciclar entre temperatura ambiente y 1100 °C a hasta 10 MHz [ cita requerida ] mientras que la distancia de la punta a la superficie y la temperatura de la punta se pueden controlar de forma independiente.

Aplicaciones

Se han desencadenado reacciones activadas térmicamente en proteínas , [4] semiconductores orgánicos , [5] polímeros conjugados electroluminiscentes y resistencias de nanocinta . [6] Se ha demostrado la desprotección de grupos funcionales [7] (que a veces implica gradientes de temperatura [8] ) y la reducción de óxido de grafeno [9] . Se ha modificado la humectabilidad de una superficie de polímero a escala nanométrica [1] [10] y se han creado nanoestructuras de poli(p-fenileno vinílico) (un polímero conjugado electroluminiscente ). [11] También se han creado plantillas a escala nanométrica en películas de polímero para el ensamblaje de nanoobjetos como proteínas y ADN [12] y se ha producido la cristalización de cerámicas ferroeléctricas con densidades de almacenamiento de hasta 213 Gb/in2 . [13]

El uso de un material que puede sufrir múltiples reacciones químicas a temperaturas significativamente diferentes podría conducir a un sistema de múltiples estados, en el que se pueden abordar diferentes funcionalidades a diferentes temperaturas. [ cita requerida ] Los polímeros sintéticos, como PMCC , se han utilizado como capas funcionales sobre el sustrato, lo que permite la creación de patrones de alta resolución. [14]

Comparación con otras técnicas litográficas

La litografía termomecánica con sonda de barrido se basa en la aplicación de calor y fuerza para crear hendiduras con fines de modelado (ver también: memoria de milpiés ). La litografía térmica con sonda de barrido (t-SPL) se especializa en la eliminación de material de un sustrato sin la intención de alterar químicamente la topografía creada. La nanolitografía de oxidación local se basa en reacciones de oxidación en un menisco de agua alrededor de la punta de la sonda.

Véase también

Referencias

  1. ^ abc R. Szoszkiewicz; T. Okada; SC Jones; T.-D. Li; WP King; SR Marder y E. Riedo (2007). "Nanolitografía termoquímica de tamaño de característica de alta velocidad, sub-15 nm". Nano Lett . 7 (4): 1064–1069. Bibcode :2007NanoL...7.1064S. doi :10.1021/nl070300f. PMID  17385937.
  2. ^ Eoin O'Carroll (7 de agosto de 2013). «'Mini Lisa': investigadores de Georgia Tech crean la reproducción de Da Vinci más pequeña del mundo». Christian Science Monitor . Consultado el 8 de agosto de 2013 .
  3. ^ Carroll, AKG; Wang, D.; Kodali, V.; Scrimgeour, J.; King, W.; Marder, S.; Riedo, E.; Curtis, J. (2013). "Fabricación de gradientes químicos a escala nanométrica con nanolitografía termoquímica". Langmuir . 29 (27): 8675–8682. doi :10.1021/la400996w. PMID  23751047.
  4. ^ Martínez, Ramsés V.; Martínez, Javier; Chiesa, Marco; García, Ricardo; Coronado, Eugenio; Pinilla-Cienfuegos, Elena; Tatay, Sergio (2010). "Nanopatrones a gran escala de proteínas individuales utilizadas como portadores de nanopartículas magnéticas". Materiales avanzados . 22 (5): 588–591. doi :10.1002/adma.200902568. hdl : 10261/45215 . PMID  20217754.
  5. ^ Fenwick, Oliver; Bozec, Laurent; Credgington, Dan; Hammiche, Azzedine; Lazzerini, Giovanni Mattia; Silberberg, Yaron R.; Cacialli, Franco (octubre de 2009). "Nanopatrones termoquímicos de semiconductores orgánicos". Nanotecnología de la naturaleza . 4 (10): 664–668. Código bibliográfico : 2009NatNa...4..664F. doi :10.1038/nnano.2009.254. ISSN  1748-3387. PMID  19809458.
  6. ^ Shaw, Joseph E.; Stavrinou, Paul N.; Anthopoulos, Thomas D. (2013). "Elaboración de patrones a pedido de transistores de pentaceno nanoestructurados mediante litografía térmica de barrido" (PDF) . Materiales avanzados . 25 (4): 552–558. doi :10.1002/adma.201202877. hdl :10044/1/19476. PMID  23138983.
  7. ^ 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). "Nanolitografía termoquímica de nanoplantillas multifuncionales para ensamblar nanoobjetos - Wang - 2009". Materiales funcionales avanzados . 19 (23): 3696–3702. doi :10.1002/adfm.200901057.
  8. ^ 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 de julio de 2013). "Fabricación de gradientes químicos a escala nanométrica con nanolitografía termoquímica". Langmuir . 29 (27): 8675–8682. doi :10.1021/la400996w. ISSN  0743-7463. PMID  23751047.
  9. ^ Wei, Zhongqing; Wang, Debin; Kim, Suenne; Kim, Soo-Young; Hu, Yike; Yakes, Michael K.; Laracuente, Arnaldo R.; Dai, Zhenting; Marder, Seth R. (2010). "Reducción ajustable a escala nanométrica de óxido de grafeno para electrónica de grafeno". Science . 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. 
  10. ^ D. Wang; T. Okada; R. Szoszkiewicz; SC Jones; M. Lucas; J. Lee; WP King; SR Marder; E. Riedo (2007). "Modificación de la humectabilidad local mediante nanolitografía termoquímica con capacidad de escritura-lectura-sobrescritura". Appl. Phys. Lett . 91 (24): 243104. Bibcode :2007ApPhL..91x3104W. doi :10.1063/1.2816401. hdl : 1853/46618 .
  11. ^ Wang, Debin; Kim, Suenne; Ii, William D. Underwood; Giordano, Anthony J.; Henderson, Clifford L.; Dai, Zhenting; King, William P.; Marder, Seth R.; Riedo, Elisa (7 de diciembre de 2009). "Escritura directa y caracterización de nanoestructuras de poli(p-fenileno vinílico)". Applied Physics Letters . 95 (23): 233108. Bibcode :2009ApPhL..95w3108W. doi :10.1063/1.3271178. hdl : 1853/46878 . ISSN  0003-6951.
  12. ^ D. Wang; et al. (2009). "Nanolitografía termoquímica de nanoplantillas multifuncionales para ensamblar nanoobjetos". Adv. Funct. Mater . 19 (23): 3696–3702. doi :10.1002/adfm.200901057.
  13. ^ Kim, Suenne; Bastani, Yaser; Lu, Haidong; King, William P.; Marder, Seth; Sandhage, Kenneth H .; Gruverman, Alexei; Riedo, Elisa; Bassiri-Gharb, Nazanin (2011). "Fabricación directa de nanoestructuras ferroeléctricas de forma arbitraria sobre sustratos de plástico, vidrio y silicio". Materiales avanzados . 23 (33): 3786–90. doi :10.1002/adma.201101991. PMID  21766356.
  14. ^ Albisetti, E; Carroll, KM; Lu, X; Curtis, JE; Petti, D; Bertacco, R; Riedo, E (27 de junio de 2016). "Litografía termoquímica de gradientes de proteínas a escala nanométrica con sonda de barrido". Nanotecnología . 27 (31): 315302. Bibcode :2016Nanot..27E5302A. doi :10.1088/0957-4484/27/31/315302. hdl : 11311/1004178 . ISSN  0957-4484. PMID  27344982.

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