نانومواد چگونه ساخته می‌شوند؟

این مقاله برخی از روش های مورد استفاده در ساخت نانومواد را معرفی می کند. در حقیقت این روش ها برای ساخت موادی استفاده می شوند که حداقل، یکی از ابعاد آنها در حد نانومتر(1–100 nm) است. موادی همچون سطوح نانوساختار، نانوذرات، مواد نانوحفره و ...، جزء نانومواد تلقی می شوند. هدف این مقاله پاسخ گویی به این سوال است که چگونه نانومواد ساخته می شوند؟ چه ابزارهایی برای تولید نانومواد در علم و تکنولوژی های نانو، استفاده می شود؟
روش های مورد استفاده در تولید نانومواد عموماً به دو گروه تقسیم بندی می شوند: روش های بالا به پایین و روش های پایین به بالا. در مورد اول، نانومواد از یک ماده ی بالک، تولید می شوند و در حقیقت این تولید از جدا شدن پیوسته ی مواد از حالت بالک، انجام می شود. این جدا شدن مواد تا جایی ادامه می یابد که نانومواد مناسب بدست آیند. یک روش ساده برای نشان دادن روش بالا به پایین، بریدن یک مجسمه از یک بلوک مرمر می باشد. روش های چاپی نیز مربوط به این گروه می باشند. روش های پایین به بالا در جهت عکس کار می کند. در واقع نانوموادی همچون نانوپوشش ها، از پیش ماده های مولکولی و اتمی ساخته می شوند. این مواد عموماً مونتاژ می شوند و ساختاری مناسب بدین صورت تشکیل خواهد شد. این روش شبیه ساخت یک خانه با استفاده از آجر می باشد.
در هر دو روش، دو شرط اساسی لازم است؛ کنترل شرایط تولید (انرژی باریکه ی الکترونی) و کنترل شرایط محیطی (وجود گردوغبار، آلودگی ها و ...). به همین دلیل، نانوتکنولوژی از ابزارهای تولید پیچیده ای استفاده می کند که اکثر آنها در اتاق های تمیز و تحت خلأ کار می کنند.

روش های بالا به پایین

روش های تولید بالا به پایین متعددی که در نانوتکنولوژی مورد استفاده قرار می گیرد، از روش های تولید مورد استفاده در صنعت نیمه رسانا، مشتق شده اند. از این روش ها در ابتدا در تولید المان های مختلف چیپ های کامپیوتری، استفاده می شده است. این روش ها به صورت جمعی، لیتوگرافی نامیده می شود. در این روش از باریکه ی الکترونی و یا نوری برای حذف و یا ایجاد ساختارهای میکرونی از پیش ماده استفاده می شود. این پیش ماده، مانع (resist ) نامیده می شود. در سال های اخیر، یک فشار قابل توجهی بر روی کاهش اندازه ی وسایل الکترونیکی و ایجاد عملکرد بهتر در این بخش ها، انجام شده است. در حقیقت، این پیشرفت ها، از روش های تولید لیتوگرافی، منفعت می برند. امروزه، این ممکن است که عوارض منفردی با ابعاد زیر 100 نانومتر تولید کرد (ترانزیستورهایی که در نسل آخر خود، تنها 45 نانومتر اندازه دارند). بنابراین، در صنعت نیمه رسانا، نانوساختارها به صورت روتین تولید می شوند. روش های لیتوگرافی که قادر به تولید عوارض نانومتری هستند، در بخش بعدی مورد بررسی قرار می گیرند.
روش های متعددی برای تولید نانوساختارها در حالت بالا به پایین، وجود دارد. در اینجا، بحث محدود به متداول ترین روش ها می باشد.

لیتوگرافی معمولی

لیتوگرافی شامل یک سری روش های تولید است که در آنها اصل انتقال یک تصویر از یک ماسک به یک زیرلایه ی مورد نظر می باشد. یک فرایند لیتوگرافی نمونه وار شامل سه مرحله ی پی در پی است: 1) پوشش دهی یک زیرلایه (مانند ویفر سیلیکونی و یا شیشه ای) با یک لایه ی پلیمری حساس (که مانع نامیده می شود)؛ 2) برخورد مانع با نور، الکترون و یا باریکه ی یونی، 3) ایجاد تصویر مانع با یک ماده ی شیمیایی مناسب (developer) که در حقیقت یک تصویر مثبت و یا منفی بر روی زیرلایه ایجاد می کند. این مسئله در واقع به نوع مانع مورد استفاده، وابسته می باشد. در روش های میکروتولید متداول در صنعت نیمه رسانا، مرحله ی بعد از لیتوگرافی، انتقال الگو از مانع به زیرلایه ی پایینی است. این کار بوسیله ی یک سری از روش هی انتقال مانند اچ شیمیایی و اچ پلاسمای خشک، انجام می شود.
روش های لیتوگرافی می تواند به طور کلی به دو گروه طبقه بندی شوند:
1. روش هایی که از ماسک فیزیکی استفاده می کند. در این روش ها مانع موجود در ماسک تحت تابش قرار می گیرد (در تماس و یا در نزدیکی سطح مانع). این روش ها به صورت کلی روش های لیتوگرافی ماسکی نامیده می شوند و از میان آنها، فوتولیتوگرافی، متداول ترین روش می باشد.
2. روش هایی که از ماسک نرم افزاری استفاده می کنند. در این روش ها، یک باریکه ی پویش کننده سطح مانع را به صورت ترتیبی، اسکن می کند. این کار به صورت نقطه به نقطه انجام می شود و با استفاده از یک نرم افزار کامپیوتری کنترل می گردد. در رواقع در این حالت، الگوهای ماسک تعریف شده هستند. این روش ها به صورت کلی، روش های لیتوگرافی روبشی نامیده می شود.
تفاوت اصلی میان لیتوگرافی ماسک و لیتوگرافی روبشی، سرعت آن است؛ در حالی که لیتوگرافی ماسکی یک روش سریع و موازی است، لیتوگرافی روبشی آهسته و سریالی است. یکی دیگر از تفاوت های مهم میان آنها میزان رزولیشن آنهاست. عموماً رزولیشن مربوط به روبشی بالاتر است. قیمت پرداخت شده برای ایجاد رزولیشن بالا، استفاده از منابع تابش با انرژی بیشتر است که در حقیقت، ادواتی گران قیمت محسوب می شوند.

فوتولیتوگرافی

فوتولیتوگرافی در حقیقت از تابش نور (فرابنفش، فرابنفش نزدیک، فرابنفش دور یا اشعه ی X) بر روی لایه های پلیمری حساس به نور استفاده می کند. ماسک مورد استفاده، عموماً از شیشه هایی مانند کوارتز، استفاده می کنند که حاوی الگوهای مناسب می باشند. این الگوها شامل بخش های اپک نیز می باشد. تصویر ماسک می تواند برروی قطعه ی مورد نظر، ایجاد شود. در واقع این مسئله وقتی رخ می دهد که ماسک در تماس فیزیکی با مانع است (شکل 1).
رزولیشن لیتوگرافی تماسی در زمان استفاده از نور uv، عموماً 0.5 تا 0.8 میکرون می باشد. رزولیشن های بالاتر با این روش قابل حصول نمی باشد که علت آن عدم قابلیت کاهش شکاف میان ماسک و زیرلایه ی مسطح می باشد. این مسئله حتی زمانی که سیستم های خلأ بالا نیز استفاده شود، رخ می دهد. برای ایجاد الگوهای با رزولیشن بالاتر، فوتولیتوگرافی پروجکشنی (projection photolithography) یا سایر نسل های لیتوگرافی (یعنی فوتولیتوگرافی UV دور و یا فوتولیتوگرافی اشعه ی X) مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ها نیازمند ادوات گران قیمتی هستند و بنابراین، استفاده از آنها محدود به کاربردهای خاص (مانند تولید ماسک های نوری) می باشد. ادوات مورد نیاز، تنها در آزمایشگاه های خاص موجود می باشند.

لیتوگرافی روبشی

ذرات پر انرژی مانند الکترون ها و یون ها، می توانند برای ایجاد الگوهای مورد نظر بر روی فیلم های مانع، مورد استفاده قرار گیرند. این ذرات منجر به ایجاد عوارض با رزولیشن نانومتری می شود. وقتی از الکترون ها استفاده می شود، این تکنولوژی، لیتوگرافی باریکه ی الکترونی نامیده می شود؛ در حالی که وقتی از یون ها استفاده شود، این تکنولوژی لیتوگرافی باریکه ی یونی متمرکز نامیده می شوند. در نهایت، یک تکنولوژی تازه تر در این زمینه از پروب های روبشی نانومتری استفاده می کند و بدین وسیله الگوهای مورد نظر را بر روی مانع ایجاد می کند. این روش را لیتوگرافی پروب روبشی (SPL) می نامند. این تکنولوژی به طور گسترده ای در رسوب دهی مقادیر نانویی از مواد استفاده می شود.

لیتوگرافی باریکه ی الکترونی

در یک فرایند لیتوگرافی باریکه ی الکترونی، یک باریکه ی نازک از الکترون ها، سطح یک لایه ی مانع حساس به الکترون مانند پلی (متیل متااکریلات) (PMMA) را پویش می کند. مزیت اصلی لیتوگرافی باریکه ی الکترونی، نسبت به فوتولیتوگرافی، رزولیشن بالای آن است. در این روش، الگوهایی با اندازه ی 50 نانومتر نیز قابلیت تولید دارند. رزولیشن این تکنولوژی عمدتاً بوسیله ی تفرق الکترون های تولید شده در فیلم مانع و زیرلایه، تعیین می شود. به هر حال، وقتی از ذرات با جرم بیشتر از الکترون استفاده می شود، این اثر به طور قابل توجهی کاهش می یابد. لیتوگرافی باریکه ی یونی متمرکز نیز بر اساس اصلی مشابه با لیتوگرافی باریکه ی الکترونی، کار می کند اما یون هایی مانند یون هیدروژن، هلیوم، لیتیم و برلیوم در این روش استفاده می شود. هر دو روش، از جمله روش های سریالی هستند و زمان فرایند طولانی است. بنابراین، تنها محدود به تولید ماسک های نوری در لیتوگرافی نوری است.

لیتوگرافی نرم

لیتوگرافی نرم (Soft lithography) یک نام برای یک سری از روش هاست که از قالب های نرم برای ریخته گری یک پیش ماده ی پلیمری مایع، استفاده می شود. این روش ها برای تولید نانوساختارهای و میکروساختاری مربوط به ادواتی ابداع شده اند که در مقایسه با روش لیتوگرافی معمولی، ساده تر می باشد. این روش ها همچنین ارزان تر هسند و در آزمایشگاه های بیولوژیکی نیز موجود می باشند. شکل 2 نشاندهنده ی اصل کلی مربوط به لیتوگرافی نرم است.
رزولیشن مربوط به لیتوگرافی نرم عمدتاً بوسیله ی برهمکنش های نیروهای واندروالسی، ترشوندگی و نیروهای کینتیکی مانند نیروهای کاپیلاری، تعیین می شود. این رزولیشن بوسیله ی نفوذ نوری تحت تأثیر نیست و از این رو، این مسئله یکی از مزیت نسبت به سایر روش های لیتوگرافی متداول می باشد. مستر مورد استفاده در این روش عمدتاً از طریق روش لیتوگرافی معمولی تولید می شود.
پلیمرهای مختلف (مانند پلی یوریتان ها، اپوکسی ها و پلی ایمیدها) می توانند برای قالب گیری در این روش، مورد استفاده قرار گیرند. در اغلب موارد، پلی (دی متیل سیلوکسان) (PDMS) در این فرایند استفاده می شود. این ماده سمی نیست و می تواند در کاربردهای بیولوژیکی مانند سلول های زنده، استفاده شود. این مسئله یکی از مزیت های بزرک در وسایلی است که هدف آنها ایجاد نانوساختارها برای سیستم های بیولوژیکی می باشد.
یک قالب PDMS با خالی کردن پیش ماده ی مایع در یک مستر آماده شده بوسیله ی فرایند لیتوگرافی، تولید می شود. سپس با ایجاد پیوند عرضی، این مواد سخت می شوند و سپس از مستر جداسازی می شود. این بخش سپس می تواند برای پرینت مواد مناسب از جوهر و همچنین مهر زنی بر روی یک سطح مناسب، استفاده شود (شکل 3).  

چاپ نانوتماسی

چاپ نانوتماسی به طور مناسبی برای ایجاد عوارض الگودار با ابعاد 500 نانومتر و بزرگتر، استفاده می شود. یکی از چالش های اصلی در این زمینه، بهبود قابلیت چاپ و افزایش رزولیشن می باشد. اخیراً این مسئله با کمک بهبود پایداری PDMS انجام شده است. این ماده نرم است و قابلیت فشرده سازی آن بالاست. از این رو، تمایل به تغییر شکل و دفرمگی در آن بالاست. یک راه برای بهبود پایداری الگوها، اعمال یک بخش سخت در پشت مهر و یا تغییر در فرمولاسیون خود مهر می باشد. بدین صورت یک پلیمر سخت تر تولید می شود. با این اصلاح ها، امروزه ممکن است تا عوارضی به اندازه ی 50 نانومتر را با این روش، ایجاد کرد. این روش چاپ که در حقیقت از مهرهای سخت تر استفاده می کند، چاپ نانوتماسی (nCP) نامیده می شود.

لیتوگرافی حکاکی نانومتری

مفهوم لیتوگرافی حکاکی نانویی، در حقیقت از مسترهای سخت با یک ساختار سه بعدی برای قالب گیری یک ماده ی دیگر، استفاده می کند. در حقیقت، این فرض می شود که در این حالت، ساختار سه بعدی حفظ می شود. فرض کنید که یک بلوک Lego گرفته اید و بر روی یک قطعه از Play-Doh آن را فشار دادید. از آنجایی که مستر نانوساختار است، فرایند باید تحت فشار انجام شود. همچنین یک پوشش نیز ابتدا باید بر روی مستر قرار داده شود تا بدین صورت از چسبندگی بیش از حد به قالب، جلوگیری شود. همچنین قالب باید حرارت داده شود. این حرارت دهی تا دمایی بالاتر از دمای شیشه ای شدن ماده است تا بدین صورت ماده کاملا نرم شود و الگو به خوبی انتقال یابد. این روش معادل روش منبت کاری در مقیاس نانومتری است و نیازمند ادوات خاص می باشد.

لیتوگرافی نانوکره ای

در لیتوگرافی نانوکره ای، یک گروه از کره ها، بر روی سطح منظم می شوند و به عنوان ماسک، مورد استفاده قرار می گیرد (شکل 4). این نانوکره ها، در یک مایع یا کلوئید پراکنده شده اند و یک قطره از آنها بر روی سطح قرار داده می شود تا خشک شود. بسته به خواص سطحی و خواص محیط مورد استفاده، نانوکره ها می توانند خاصیت خودآرایی نیز از خود نشان دهند و الگویی منظم به خود بگیرند. این ساختار منظم می تواند برای ایجاد ساختارهای منظم بر روی سطح، استفاده شود.
در آرایش منظم از نانوکره ها، یک سری فضاهای خالی میان آنها وجود دارد که به صورت منظم در کل سطح وجود دارند. در ساده ترین روش، این فضا برای ایجاد نانوالگوهای نسبتاً مسطح مورد استفاده قرار می گیرد. الگوهای نانوکره ای به عنوان یک ماسک استفاده می شوند و یک ماده مانند طلا یا نقره بر روی سری کندوپاش می شود. وقتی نانوکره ها از روی سطح برداشته می شوند، یک الگوی منظم از نقاط ایجاد می شوند که هر کدام مثلثی شکل هستند.
الگوهای طلا (دات های طلا) می توانند در این مکان ها، رشد داده شوند. برای مثال برای رشد نانوتیوب های کربنی و یا ZnO می توان از این روش استفاده کرد.
لیتوگرافی نانوکره ای امروزه به روشی برای تولید آرایه های بسیار پیچیده از نانوساختارها مانند عوارض سه بعدی با سوراخ های کوچک در داخل آنها، تبدیل شده است.

لیتوگرافی کلوئیدی

لیتوگرافی کلوئیدی همان اصول مربوط به لیتوگرافی نانوکره را دارد و از یک کلوئید به عنوان ماسک برای تولید نانوساختارها بر روی سطوح، استفاده می کند (شکل 6). در این روش، نیروهای الکترواستاتیکی برای بدست آوردن آرایه های با نظم کوتاه برد از نانوکره ها بر روی سطح، استفاده می شود.
این آرایه ها می توانند برای ایجاد یک تعداد از نانوساختارهای مختلف از طریق فرایندهای اچ، کشیدن و ... استفاده شوند.
بدون بررسی جزئیات این روش، باید گفت که چیزی که جالب توجه است، این است که انواع مختلفی از نانوساختارهایی که می تواند با این روش تولید شود، عبارتند از: نانوحفرات، مخروط ها، حلقه ها، ساختارهای ساندویچی و ... (شکل 7).
اگر این روش برای فلزات استفاده شود، نانوساختارهای تولیدی دارای اثر رزونانس پلاسمونی سطحی (LSPR) هستند و می توان از آنها برای تولید حسگر، استفاده کرد. این مواد امروزه در حالی بررسی می باشند و احتمال استفاده از آنها در کاربردهای پزشکی، وجود دارد.

لیتوگرافی پروبی- روبشی

میکروسکوپ های پروبی- روبشی (یعنی AFM، STM و ...) از سری های با اندازه ی کوچکتر از 50 نانومتر برای تصویربرداری سطحی با رزولیشن اتمی، استفاده می کنند. این قابلیت فرصتی برای استفاده از مواد نانوساختار و نانو وسایل، ایجاد می کند. در این مورد، به میکروسکوپ مورد استفاده، لیتوگرافی پروبی- روبشی (SPL) می گویند. این وسایل از سری یک AFM برای حذف انتخابی یک ناحیه ی معین بر روی سطح، استفاده می کند. همچنین روش نانولیتوگرافی Dip Pen (DPN) که کاملا مشابه همین روش هاست، از سری AFM برای رسوب دهی مواد بر روی سطح استفاده می شود (شکل 8).
هر دو روش بیان شده، در حقیقت تکنیک های حکاکی است و مزیت اصلی آنها، رزولیشن بالا و قابلیت ایجاد الگوهایی با هندسه های دلخواه می باشد. مشابه لیتوگرافی باریکه ی الکترونی و لیتوگرافی باریکه ی یونی، SPL و DPN روش های سریالی هستند و سرعت آنها محدود می باشد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff