Литография сканирующего зонда [1] ( SPL ) описывает набор нанолитографических методов для создания рисунка материала на наноуровне с использованием сканирующих зондов. Это метод прямой записи без маски, который обходит дифракционный предел и может достигать разрешения ниже 10 нм. [2] Это считается альтернативной литографической технологией, часто используемой в академической и исследовательской среде. Термин сканирующая зондовая литография был придуман после первых экспериментов по формированию рисунка с помощью сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) в конце 1980-х годов. [3]
Классификация
Различные подходы к SPL можно классифицировать по их цели: добавить или удалить материал, по общей природе процесса, химическому или физическому, или в соответствии с движущими механизмами взаимодействия зонд-поверхность, используемыми в процессе формирования рисунка: механический , тепловые , диффузионные и электрические .
Обзор
Механический / термомеханический
Литография с механическим сканирующим зондом (m-SPL) - это метод наномеханической обработки или наноцарапания [4] сверху вниз без применения тепла. [5] Термомеханическое SPL применяет тепло вместе с механической силой, например, вдавливание полимеров в памяти многоножек .
Тепловой
В литографии с тепловым сканирующим зондом (t-SPL) используется нагреваемый сканирующий зонд для эффективного удаления материала с поверхности без приложения значительных механических сил. Глубину рисунка можно контролировать для создания трехмерных структур с высоким разрешением. [6] [7]
Термохимический
В литографии термохимического сканирующего зонда (tc-SPL) или термохимической нанолитографии (TCNL) используются наконечники сканирующего зонда для инициирования термически активируемых химических реакций с целью изменения химической функциональности или фазы поверхностей. Такие термически активированные реакции , как были показаны в белках , [8] органические полупроводников , [9] электролюминесцентный конъюгированные полимеров, [10] и nanoribbon резисторы. [11] Кроме того, удаление защитных групп из функциональных групп [12] (иногда с участием температурных градиентов [13] ), снижения оксидов, [14] , и кристаллизации из пьезоэлектрических / сегнетоэлектрических керамики [15] было продемонстрировано.
Dip-pen / термометр для окунания
Литография со сканирующим зондом с погружным пером (dp-SPL) или нанолитография с погружным пером (DPN) - это метод литографии с использованием сканирующего зонда, основанный на диффузии , когда наконечник используется для создания рисунков на различных веществах путем нанесения различных жидких чернил. . [16] [17] [18] Литография с тепловым погружным пером, сканирующая зонд, или термографическая нанолитография с погружным пером (TDPN) расширяет пригодные для использования чернила к твердым телам, которые могут быть нанесены в жидкой форме при предварительном нагреве зондов. [19] [20] [21]
Окисление
Литография окислительного сканирующего зонда (o-SPL), также называемая нанолитографией местного окисления (LON), окисление сканирующим зондом, наноокисление, локальное анодное окисление, литография окисления AFM основана на пространственном ограничении реакции окисления . [22] [23]
Смещение индуцированное
Литография сканирующего зонда с индуцированным смещением (b-SPL) использует сильные электрические поля, создаваемые на вершине кончика зонда при приложении напряжения между зондом и образцом, чтобы облегчить и ограничить различные химические реакции разложения газов [24] или жидкостей [ 2] [25] для локального нанесения и выращивания материалов на поверхности.
Ток индуцированный
В литографии с индуцированным током сканирующим зондом (c-SPL) в дополнение к сильным электрическим полям b-SPL также используется сфокусированный электронный ток, который исходит от наконечника SPM, для создания наноструктур, например, в полимерах [26] и молекулярных стеклах. [27]
Магнитный
Были разработаны различные методы сканирующего зонда для записи рисунков намагничивания в ферромагнитные структуры, которые часто называют методами магнитного SPL. Литография с магнитным сканирующим зондом с термической поддержкой (tam-SPL) [28] работает за счет использования обогреваемого сканирующего зонда для локального нагрева и охлаждения областей ферромагнитного слоя с обменным смещением в присутствии внешнего магнитного поля. Это вызывает сдвиг петли гистерезиса экспонированных областей, закрепляя намагниченность в другой ориентации по сравнению с необлученными областями. Закрепленные области становятся стабильными даже в присутствии внешних полей после охлаждения, что позволяет записать произвольные наноструктуры в намагниченность ферромагнитного слоя.
В массивах взаимодействующих ферромагнитных наноостровков, таких как искусственный спиновый лед , методы сканирования зонда использовались для записи произвольных магнитных структур путем локального изменения намагниченности отдельных островков. Магнитная запись, управляемая топологическими дефектами (TMW) [29], использует дипольное поле намагниченного сканирующего зонда для создания топологических дефектов в поле намагничивания отдельных ферромагнитных островков. Эти топологические дефекты взаимодействуют с краями островков и аннигилируют, в результате чего намагниченность меняется на противоположную. Другой способ записи таких магнитных паттернов - это формирование паттернов с помощью магнитно-силовой микроскопии [30], когда прикладывается внешнее магнитное поле немного ниже поля переключения наноостровков, а намагниченный сканирующий зонд используется для локального повышения напряженности поля. выше того, что требуется для изменения намагниченности выбранных островов.
В магнитных системах, где межфазные взаимодействия Дзялошинского-Мориа стабилизируют магнитные текстуры, известные как магнитные скирмионы , для прямой записи скирмионов и решеток скирмионов использовалась магнитная нанолитография со сканирующим зондом. [31] [32]
Сравнение с другими литографическими техниками
Будучи последовательной технологией, SPL по своей сути медленнее, чем, например, фотолитография или литография с наноимпринтом , в то время как распараллеливание, необходимое для массового производства, считается большими усилиями системного проектирования ( см. Также память Millipede ). Что касается разрешения, методы SPL обходят предел оптической дифракции благодаря использованию сканирующих зондов по сравнению с методами фотолитографии . Некоторые датчики имеют встроенные метрологические возможности на месте , позволяющие контролировать обратную связь во время процесса записи. [33] SPL работает в условиях окружающей атмосферы , без необходимости в сверхвысоком вакууме ( UHV ), в отличие от литографии с электронным пучком или EUV .
Рекомендации
- ^ Гарсия, Рикардо; Knoll, Armin W .; Риедо, Элиза (август 2014 г.). «Продвинутая сканирующая зондовая литография». Природа Нанотехнологии . 9 (8): 577–587. arXiv : 1505.01260 . Bibcode : 2014NatNa ... 9..577G . DOI : 10.1038 / nnano.2014.157 . ISSN 1748-3387 . PMID 25091447 . S2CID 205450948 .
- ^ а б Мартинес, Р. В.; Losilla, NS; Martinez, J .; Huttel, Y .; Гарсия, Р. (1 июля 2007 г.). «Создание рисунка полимерных структур с разрешением 2 нм при половинном шаге 3 нм в условиях окружающей среды». Нано-буквы . 7 (7): 1846–1850. Bibcode : 2007NanoL ... 7.1846M . DOI : 10.1021 / nl070328r . ISSN 1530-6984 . PMID 17352509 .
- ^ Патент США 4785189
- ^ Ян, Йонгда; Ху, Чжэньцзян; Чжао, Сюешен; Солнце, Дао; Донг, Шен; Ли, Сяодун (2010). «Наномеханическая обработка трехмерных наноструктур сверху вниз с помощью атомно-силовой микроскопии». Маленький . 6 (6): 724–728. DOI : 10.1002 / smll.200901947 . PMID 20166110 .
- ^ Чен, Сян-Ань; Линь, Синь-Ю; Лин, Хе-Нан (17 июня 2010 г.). "Локализованный поверхностный плазмонный резонанс в литографически изготовленных одиночных золотых нанопроводах". Журнал физической химии C . 114 (23): 10359–10364. DOI : 10.1021 / jp1014725 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Хуа, Юэмин; Саксена, Шубхам; Ли, Юнг С .; Кинг, Уильям П .; Хендерсон, Клиффорд Л. (2007). Лерсель, Майкл Дж (ред.). «Прямая трехмерная наноразмерная термолитография на высоких скоростях с использованием нагретых консолей атомно-силового микроскопа». Новые литографические технологии XI . 6517 : 65171L – 65171L – 6. Bibcode : 2007SPIE.6517E..1LH . DOI : 10.1117 / 12.713374 . S2CID 120189827 .
- ^ Пирес, Давид; Хедрик, Джеймс Л .; Сильва, Ануджа Де; Фроммер, Джейн; Гоцманн, Бернд; Волк, Хейко; Деспон, Мишель; Duerig, Urs; Кнолль, Армин В. (2010). «Наноразмерное трехмерное моделирование молекулярных резистов с помощью сканирующих зондов». Наука . 328 (5979): 732–735. Bibcode : 2010Sci ... 328..732P . DOI : 10.1126 / science.1187851 . ISSN 0036-8075 . PMID 20413457 . S2CID 9975977 .
- ^ Мартинес, Рамсес V; Мартинес, Хавьер; Кьеза, Марко; Гарсия, Рикардо; Коронадо, Эухенио; Пинилья-Сьенфуэгос, Елена; Татай, Серджио (2010). «Крупномасштабное нанопаттернирование отдельных белков, используемых в качестве носителей магнитных наночастиц». Современные материалы . 22 (5): 588–591. DOI : 10.1002 / adma.200902568 . hdl : 10261/45215 . PMID 20217754 .
- ^ Фенвик, Оливер; Бозек, Лоран; Креджингтон, Дэн; Хаммиче, Аззедин; Лаззерини, Джованни Маттиа; Silberberg, Yaron R .; Качалли, Франко (октябрь 2009 г.). «Термохимические наноразмеры органических полупроводников». Природа Нанотехнологии . 4 (10): 664–668. Bibcode : 2009NatNa ... 4..664F . DOI : 10.1038 / nnano.2009.254 . ISSN 1748-3387 . PMID 19809458 .
- ^ Ван, Дебин; Ким, Суэнн; II, Уильям Д. Андервуд; Джордано, Энтони Дж .; Хендерсон, Клиффорд Л .; Дай, Женинг; Кинг, Уильям П .; Marder, Seth R .; Риедо, Элиза (07.12.2009). «Прямая запись и характеристика наноструктур поли (п-фениленвинилена)». Письма по прикладной физике . 95 (23): 233108. Bibcode : 2009ApPhL..95w3108W . DOI : 10.1063 / 1.3271178 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Шоу, Джозеф Э; Ставрину, Поль Н; Антопулос, Томас Д. (2013). «Формирование структуры наноструктурированных пентаценовых транзисторов по требованию методом сканирующей термолитографии». Современные материалы . 25 (4): 552–558. DOI : 10.1002 / adma.201202877 . hdl : 10044/1/19476 . PMID 23138983 .
- ^ Ван, Дебин; Кодали, Вамси К.; Андервуд II, Уильям Д.; Ярвхолм, Йонас Э; Окада, Такаши; Джонс, Саймон С; Руми, Мариакристина; Дай, Женинг; Кинг, Уильям П. Мардер, Сет Р.; Кертис, Дженнифер Е; Риедо, Элиза (2009). «Термохимическая нанолитография многофункциональных наношаблонов для сборки нанообъектов». Современные функциональные материалы . 19 (23): 3696–3702. DOI : 10.1002 / adfm.200901057 .
- ^ Кэрролл, Кейт М .; Джордано, Энтони Дж .; Ван, Дебин; Kodali, Vamsi K .; Скримджер, Ян; Кинг, Уильям П .; Marder, Seth R .; Риедо, Элиза; Кертис, Дженнифер Э. (9 июля 2013 г.). «Изготовление наноразмерных химических градиентов с помощью термохимической нанолитографии». Ленгмюра . 29 (27): 8675–8682. DOI : 10.1021 / la400996w . ISSN 0743-7463 . PMID 23751047 .
- ^ Вэй, Чжунцин; Ван, Дебин; Ким, Суэнн; Ким, Су-Ён; Ху, Йике; Якс, Майкл К .; Laracuente, Arnaldo R .; Дай, Женинг; Мардер, Сет Р. (11 июня 2010 г.). «Настраиваемое восстановление оксида графена в наномасштабе для графеновой электроники». Наука . 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 .
- ^ Ким, Суэнн; Бастани, Ясер; Лу, Хайдун; Кинг, Уильям П. Мардер, Сет; Sandhage, Kenneth H; Груверман Алексей; Риедо, Элиза; Бассири-Гарб, Назанин (2011). «Прямое изготовление сегнетоэлектрических наноструктур произвольной формы на пластиковых, стеклянных и кремниевых подложках». Современные материалы . 23 (33): 3786–90. DOI : 10.1002 / adma.201101991 . PMID 21766356 .
- ^ Яшке, Манфред; Батт, Ханс-Юрген (1 апреля 1995 г.). «Осаждение органического материала кончиком сканирующего силового микроскопа». Ленгмюра . 11 (4): 1061–1064. DOI : 10.1021 / la00004a004 . ISSN 0743-7463 .
- ^ Джинджер, Дэвид С; Чжан, Хуа; Миркин, Чад А (2004). "Эволюция Dip-Pen нанолитографии". Angewandte Chemie International Edition . 43 (1): 30–45. CiteSeerX 10.1.1.462.6653 . DOI : 10.1002 / anie.200300608 . PMID 14694469 .
- ^ Пинер, Ричард Д .; Чжу, Цзинь; Сюй, Фэн; Хонг, Сынхун; Миркин, Чад А. (1999-01-29). " Нанолитография " Dip-Pen ". Наука . 283 (5402): 661–663. DOI : 10.1126 / science.283.5402.661 . ISSN 0036-8075 . PMID 9924019 .
- ^ Нельсон, BA; Король, WP; Ларакуенте, Арканзас; Шихан, ЧП; Уитмен, LJ (16 января 2006 г.). «Прямое осаждение сплошных металлических наноструктур методом термографической нанолитографии». Письма по прикладной физике . 88 (3): 033104. Bibcode : 2006ApPhL..88c3104N . DOI : 10.1063 / 1.2164394 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Ли, У-Гён; Робинсон, Джереми Т .; Ганлик, Даниэль; Стайн, Рори Р .; Tamanaha, Cy R .; Кинг, Уильям П .; Шихан, Пол Э. (14 декабря 2011 г.). "Химически изолированные графеновые наноленты, обратимо образованные во фторографене с использованием масок из полимерных нанопроволок". Нано-буквы . 11 (12): 5461–5464. Bibcode : 2011NanoL..11.5461L . DOI : 10.1021 / nl203225w . ISSN 1530-6984 . PMID 22050117 .
- ^ Ли, У Гён; Дай, Женинг; Кинг, Уильям П .; Шихан, Пол Э. (13 января 2010 г.). «Безмасляная запись наноразмерных наночастиц композитов наночастиц и полимеров и сборок наночастиц с использованием термальных нанозондов». Нано-буквы . 10 (1): 129–133. Bibcode : 2010NanoL..10..129L . DOI : 10.1021 / nl9030456 . ISSN 1530-6984 . PMID 20028114 .
- ^ Дагата, JA; Schneir, J .; Harary, HH; Эванс, CJ; Postek, MT; Беннетт, Дж. (1990-05-14). «Модификация кремния, пассивированного водородом, с помощью сканирующего туннельного микроскопа, работающего на воздухе» . Письма по прикладной физике . 56 (20): 2001–2003. Bibcode : 1990ApPhL..56.2001D . DOI : 10.1063 / 1.102999 . ISSN 0003-6951 .
- ^ "Нанохимия и нанолитографии сканирующего зонда - Обзоры химического общества (RSC Publishing)" . Xlink.RSC.org . Проверено 8 мая 2015 .
- ^ Garcia, R .; Losilla, NS; Мартинес, Дж .; Мартинес, Р.В.; Palomares, FJ; Huttel, Y .; Calvaresi, M .; Зербетто, Ф. (05.04.2010). «Нанопаттернирование углеродистых структур методом расщепления углекислого газа под действием поля с помощью силового микроскопа». Письма по прикладной физике . 96 (14): 143110. Bibcode : 2010ApPhL..96n3110G . DOI : 10.1063 / 1.3374885 . hdl : 10261/25613 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Суэц, Италия; и другие. (2007). «Литография с высокопольным сканированием и зондом в гексадекане: переход от окисления под действием поля к разложению растворителем посредством модификации поверхности». Современные материалы . 19 (21): 3570–3573. DOI : 10.1002 / adma.200700716 .
- ^ Люксютов, Сергей Ф .; Вайя, Ричард А .; Парамонов, Павел Б .; Джул, Шейн; Уотерхаус, Линн; Ралих, Роберт М .; Сигалов, Григорий; Санчактар, Эрол (июль 2003 г.). «Электростатическая нанолитография в полимерах с использованием атомно-силовой микроскопии». Материалы природы . 2 (7): 468–472. Bibcode : 2003NatMa ... 2..468L . DOI : 10.1038 / nmat926 . ISSN 1476-1122 . PMID 12819776 . S2CID 17619099 .
- ^ Кестнер, Маркус; Хофер, Мануэль; Рэнджлоу, Иво В. (2013). «Нанолитография сканированием зондами на каликсареновом молекулярном стеклянном резисте с использованием смешанной литографии» . Журнал микро / нанолитографии, MEMS и MOEMS . 12 (3): 031111. Bibcode : 2013JMM & M..12c1111K . DOI : 10.1117 / 1.JMM.12.3.031111 . S2CID 122125593 .
- ^ Albisetti, E .; Petti, D .; Pancaldi, M .; Madami, M .; Tacchi, S .; Curtis, J .; Король, WP; Папп, А .; Csaba, G .; Porod, W .; Vavassori, P .; Riedo, E .; Бертакко, Р. (2016). «Нанопоказание реконфигурируемых магнитных ландшафтов с помощью литографии с термическим сканированием» (PDF) . Природа Нанотехнологии . 11 (6): 545–551. Bibcode : 2016NatNa..11..545A . DOI : 10.1038 / nnano.2016.25 . ЛВП : 11311/1004182 . ISSN 1748-3395 . PMID 26950242 .
- ^ Gartside, JC; Арроо, DM; Ожог, DM; Беммер, ВЛ; Москаленко, А .; Коэн, LF; Бранфорд, WR (2017). «Реализация основного состояния в искусственном спиновом льду кагоме с помощью магнитной записи с топологическими дефектами». Природа Нанотехнологии . 13 (1): 53–58. arXiv : 1704.07439 . Bibcode : 2018NatNa..13 ... 53G . DOI : 10.1038 / s41565-017-0002-1 . PMID 29158603 . S2CID 119338468 .
- ^ Ван, Юн-Лэй; Сяо, Чжи-Ли; Снежко Алексей; Сюй, Цзин; Ocola, Leonidas E .; Диван, Ралу; Пирсон, Джон Э .; Крэбтри, Джордж У .; Квок, Вай-Квонг (20 мая 2016 г.). «Перезаписываемый искусственный магнитный заряд льда». Наука . 352 (6288): 962–966. arXiv : 1605.06209 . Bibcode : 2016Sci ... 352..962W . DOI : 10.1126 / science.aad8037 . ISSN 0036-8075 . PMID 27199423 . S2CID 28077289 .
- ^ Чжан, Сэнфу; Чжан, Цзюньвэй; Чжан, Цян; Бартон, Крейг; Neu, Volker; Чжао, Юэлей; Хоу, Чжипэн; Вэнь, Ян; Гонг, Чен; Касакова, Ольга; Ван, Вэньхун; Пэн, Юн; Гаранин, Дмитрий А .; Чудновский, Евгений М .; Чжан, Сисян (2018). «Прямая запись решеток скирмионов при комнатной температуре и в нулевом поле сканирующим локальным магнитным полем». Письма по прикладной физике . 112 (13): 132405. Bibcode : 2018ApPhL.112m2405Z . DOI : 10.1063 / 1.5021172 . hdl : 10754/627497 .
- ^ Огнев, А.В.; Колесников, АГ; Ким, Ён Джин; Ча, ин хо; Садников А.В.; Никитов С.А.; Солдатов И.В. Talapatra, A .; Mohanty, J .; Mruczkiewicz, M .; Ge, Y .; Kerber, N .; Dittrich, F .; Virnau, P .; Kläui, M .; Ким, Янг Гын; Самардак, А.С. (2020). "Магнитная нанолитография Скирмиона с прямой записью". САУ Нано . 14 (11): 14960–14970. DOI : 10.1021 / acsnano.0c04748 . PMID 33152236 .
- ^ [1] Система и метод нанолитографии сканирующего зонда (EP2848997 A1)