;)
Цюрих & Сан Хосе, Калифорния.
Учените на IBM са създали толкова малка тримерна (3D) карта на света, че 1000 такива като нея могат да се поберат на една песъчинка сол.* Учените са осъществили това чрез ново научно постижение, пробив в технологията, което използва микроскопично силициево острие с остър връх, 100 000 пъти по-малък от заточен молив за създаване на шаблони и структури не по-малки от 15 нанометра при значително намаляване на разходите и сложността. Тази структурна техника отварят нови перспективи за разработка на наноразмерни обекти в области като електрониката, бъдещите технологии за интегрални схеми, медицината, науките за живота и оптоелектрониката.
За да демонстрира уникалната способност на технологията, екипът създаде няколко 3D и 2D модели, като се използват различни материали за всеки един от тях, за което е докладвано в научни списания, включително за съвременни материали:
- 25-нанометрово 3D копие на известния алпийски връх Матерхорн, 4478 м, създаден от стъклени молекули, което е в мащаб от 1:5 милиярда.**
- Пълна 3D карта на света, само 22 x 11 микрометра, е "изографисана" върху полимер. При този размер, 1000 карти на света могат да се поберат на песъчинка сол. В релефа, хиляда метра надморска височина съответстват на около осем нанометра (nm). Тя е съставена от 500 000 пиксела (точки), всеки с размер 20 nm^2 и е създадена само за 2 минути и 23 секунди.
- 2D нано-лого на IBM е гравирано с 400 nm-ва дълбочина в силиций, което показва приложимостта на техниката за типичните микро- и нано-технологии.
- 2D 15-nm разделителна способност.
Науката зад технологията
Основният компонент на новата техника, която беше разработена от екип от учени на IBM, е малка, много остра силициева "игла" с дължина 500 нанометра и само няколко нанометра на връха и'.
"Напредъкът в нанотехнологиите е тясно свързан с наличието на висококачествени методи и инструменти за производство на наноструктури и обекти на повърхности", обяснява физикът в IBM Research, Цюрих д-р Армин Нол (Armin Knoll). "Със своята широка функционалност и уникална способност за формиране на 3D наноструктури, тази, базирана на наноострие формираща
методология е мощен инструмент за създаване на много малки структури."
Игличката, подобна на типа, използван в атомно-силовия микроскоп, (Atomic force microscopy (AFM)) е прикрепена към една огъваща се вилка, като тази на грамофоните, така че управляемо сканира повърхността на материала с точност до един нанометър - 1/1000000 от милиметъра. Чрез прилагането на топлина и сила, наноразмерния
връх може да премахне части от материала въз основа на предварително определени структури, като по този начин работи като "наноминокопна" машина с ултра-висока точност.
Подобно на използване на фреза, повече пластове може да бъдат отстранени за създаване на сложни 3D структури с нанометрова прецизност чрез модулиране на сила върху определени места. Например за създаването на 3D-копие на Матерхорн, 120 отделни слоеве от материала последователно са отстранени от стъклената подложка.
Сравнение с електронно-лъчевата литография
Новата технология на IBM постига разделителна способност по-висока от 15 nm с потенциал дори за по-висока. Използвайки съществуващите методи, като например електронно-лъчева литография***, става все по-трудно производството на структури с разделителна способност под 30 нанометра, поради достигнатите технически ограничения на този метод.
Нещо повече, в сравнение със скъпите инструменти за електронно-лъчева литография, които изискват съответните стъпки и оборудване, които могат лесно да препълнят една лаборатория, инструментът, създаден от учените на IBM, може да седи на една маса, обещава подобрени и разширени възможности при много високи разделителни способности, но на една пета до една десета от цената и с много по-малко сложност от посочения пример.
Още едно друго предимство е способността на една и съща, базирана на наноострие техника, да се използва както за създаването, така и за проверката и изобразяването на изградената структура, като учените на IBM го демонстрират в своите експерименти.
Потенциалните приложения варират от бързо създаване на прототипи на наноразмерни устройства за бъдещи компютърни интегрални схеми, за производството на микрооптични елементи като асферични лещи и многоелементни обективи за оптоелектрониката и за оптично предаване на сигнали в интегралните схеми.
Пробив чрез нови материали
В двете публикации учените описват своята нова 3D-наноструктурна методология за две много различни и обещаващи видове конструктивни материали: полимер, наречен полифталалдехид (polyphthalaldehyde) и молекулно стъкло, подобни на конструктивните материали, използвани в традиционните нано-техники за предпазни пластове или така наречените резисти. Откриването на тези два материала е ключов фактор за пробив в производителността и надеждността на
техниката.
3D-изображение, показващо едно нагрято силициево наноострие, заимствано от атомно-сканиращата микроскопия, гравиращ подложка за създаване на 3D-нанокарта на света. Както се съобщава в научното списание "Advanced Materials", изследователите на IBM са използвали тази нова техника, за да създадат най-малката 3D-карта на света с размер от само 22 x 11 микрометра е "изписана" върху полимер, при този размер 1000 карти на света могат да се поберат на една песъчинка сол. В релефа, хиляда метра надморска височина съответства на около осем нанометра (nm). Тя е съставена от 500 000 пиксела, всеки с размер 20 nm^2 и е създадена за 2 минути и 23 секунди. (Снимка, публикувана с любезното съгласие на "Advanced Materials").
В търсене на подходящи и ефективни материали за подложки, учените се концентрират върху органични материали, които могат да бъдат използвани като резисти, като по този начин се следва същата методика, употребявана в полупроводниковите технологии днес, което е важно за по-нататъшното им съчетаване.
"Материалът е "въпрос на градеж или разрушаване", обяснява Джим Хедрик (Jim Hedrick), учен в IBM Research, Almaden. "Ние трябваше да изнамерим и синтезираме материали, които са механично твърди като стъкло, при това и лесно разградими чрез топлина на нереактоспособни летливи компоненти."
Молекулното стъкло, използвано в експеримента за Матерхорн се състои от подобни на снежинки молекули с размер около един нанометър и с почти сферична форма. На острието температурата е над 330 градуса по Целзий, водородните връзки, които задържат молекулите заедно се разкъсват, което позволява на молекулните да станат подвижни и да се отделят от повърхността. Определено предимство на материала е че формираното молекулно стъкло може да се прехвърля с помощта на конвенционални техники за ецване (гравиране) например на силиций, което е обичайно в полупроводниковата индустрия. Молекулното стъкло е предложено за първи път в края на 1990-те от Митцуру Уеда (Mitsuru Ueda) от университета в Ямагата (Yamagata University), Япония, за използване като фоторезист с висока разделителна способност и след това е разработено от Крис Обер (Chris Ober) от Корнуълския университет (Cornell University).
Наноразмерната 3D карта на света е създадена от полимер наречен полифталалдехид (polyphthalaldehyde), първоначално разработен от сътрудника в IBM Хироши Ито (Hiroshi Ito) през 1980 г. Изложен на значително повишени температуратури, тези вериго-подобни органични молекули се разграждат на летливи компоненти. Самоусилващата се реакция кара молекулата да се разложи и след това да ускори целия процес на структурообразуване бидейки още по-бърз от механичното движение на острието.
IBM и нанотехнологиите
IBM е пионер в нанонауката и нанотехнологиите, още от развитието на сканиращия тунелен микроскоп (Scanning tunneling microscope (STM)) през 1981 г. от сътрудниците на IBM Герд Бининг (Gerd Binnig) и Хайнрих Рорер (Heinrich Rohrer). За това изобретение, което позволява изобразяването на отделни атоми и по-късно тяхното манипулиране, Бининг и Рорер са наградени с Нобеловата награда за физика през 1986 година. Атомно-силовия микроскоп, развитие на STM, е изобретен от Бининг през 1986 година. STM е смятан за инструмента, който отвори вратата към наносвета.
Всъщност в този месец преди 20 години, сътрудникът в IBM Дон Ейглър (Don Eigler) съобщава за първото управляемо преместване на отделни атоми с помощта на сканиращ тунелен микроскоп, за да изпише буквите "I B M" с 35 ксенонови атома.
Тези исторически открития поставят солидна основа за продължаване на изследванията на IBM в нанонауката.
Допринасяйки за тази богата история за години напред, една нова съвместна нано-развойна лаборатория на световно ниво в момента е в процес на изграждане в района на изследователския отдел на IBM в Цюрих. Този авангарден нанотехнологичен център, който ще се открие през следващата година е част от стратегическото партньорство в областта на нанотехнологията между IBM и ETH Zurich, един от водещите технически университети в Европа.
* Взимайки 0.3 mm като среден размер на песъчинката сол, 1000 карти ще я обхващат в диаметър.
** Един нанометър във вертикалната структура съответства на 57 м надморска височина.
*** Този метод избирателно излага повърхността на сноп от електрони, което създава шаблон в слоя, наречен резист. Резистът служи като маска за прехвърляне на шаблона върху различни материали, например силиций, чрез ецване (гравиране). Той е един от най-използваните за различни цели и зрели методи, използвани днес, но е твърде скъп и сложен.
Снимки:
нагоре
