Литография сканирующего зонда - Scanning probe lithography

Литография сканирующего зонда[1] (SPL) описывает набор нанолитографический методы нанесения материала на наноразмер с помощью сканирующие зонды. Это прямая запись, без маски подход, который обходит предел дифракции и может достигать разрешения ниже 10 нм.[2] Это считается альтернативной литографической технологией, часто используемой в академической и исследовательской среде. Период, термин литография сканирующим зондом был придуман после первых экспериментов с паттерном сканирующие зондовые микроскопы (SPM) в конце 1980-х гг.[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, используемых в процессе формирования рисунка: механический, тепловой, диффузный и электрические.

Обзор

Механический / термомеханический

Литография с механическим сканирующим зондом (m-SPL) - это наномеханическая обработка или наноцарапание[4] сверху вниз подход без применения тепла.[5] Термомеханическое SPL применяет тепло вместе с механической силой, например вдавливание полимеров в Многоножка память.

Термический

Основная статья: Литография с термосканирующим зондом

В литографии с термическим сканированием (t-SPL) используется нагреваемый сканирующий зонд для эффективного удаления материала с поверхности без приложения значительных механических сил. Глубиной рисунка можно управлять для создания трехмерных структур с высоким разрешением.[6][7]

Термохимический

Основная статья: Термохимическая нанолитография

Литография термохимическим сканирующим зондом (tc-SPL) или термохимическая нанолитография (TCNL) использует наконечники сканирующего зонда для инициирования термически активируемых химических реакций для изменения химического состава. функциональность или фаза поверхностей. Такие термически активируемые реакции показаны на белки,[8] органические полупроводники,[9] электролюминесцентный сопряженные полимеры,[10] и нанолента резисторы.[11] Более того, снятие защиты из функциональные группы[12] (иногда с температурным градиентом[13]), снижение оксидов,[14] и кристаллизация пьезоэлектрика / сегнетоэлектрика керамика[15] был продемонстрирован.

Дип-ручка / термометр

Основная статья: Нанолитография с помощью пера

Литография со сканирующим зондом (dp-SPL) или пера нанолитография (DPN) - метод литографии сканирующим зондом, основанный на распространение, где наконечник используется для создания рисунков на различных веществах путем осаждения различных жидкостей. чернила.[16][17][18] Литография сканирующего зонда с помощью термографического пера или термографическая нанолитография (TDPN) расширяет пригодные к использованию чернила до твердых веществ, которые могут осаждаться в жидкой форме при предварительном нагреве зондов.[19][20][21]

Окисление

Основная статья: Нанолитография местного окисления

Литография с окислительным сканированием (o-SPL), также называемая нанолитография местного окисления (LON), окисление сканирующего зонда, наноокисление, местное анодное окисление, АСМ-оксидная литография основан на пространственном ограничении окисление реакция.[22][23]

Смещение вызвано

Литография сканирующего зонда с индуцированным смещением (b-SPL) использует высокий электрические поля создается на вершине наконечника зонда при приложении напряжения между зондом и образцом для облегчения и ограничения различных химических реакций в разлагать газы[24] или жидкости[2][25] для локального размещения и выращивания материалов на поверхностях.

Ток индуцированный

В литографии с индуцированным током сканирующим зондом (c-SPL) в дополнение к сильным электрическим полям b-SPL, также сфокусированный электронный ток который исходит из наконечника СЗМ, используется для создания наноструктур, например в полимерах[26] и молекулярные стекла.[27]

Магнитный

Для записи намагничивание шаблоны в ферромагнитный структуры, которые часто называют методами магнитного SPL. Литография с термомагнитным сканирующим зондом (tam-SPL)[28] работает за счет использования нагреваемого сканирующего зонда для локального нагрева и охлаждения областей биржевой ферромагнитный слой в присутствии внешнего магнитного поля. Это вызывает сдвиг в петля гистерезиса экспонированных областей, закрепляя намагниченность в другой ориентации по сравнению с необлученными областями. Закрепленные области после охлаждения становятся стабильными даже в присутствии внешних полей, что позволяет записать произвольные наноструктуры в намагниченность ферромагнитного слоя.

В массивах взаимодействующих ферромагнитных наноостровков, таких как искусственный лед для записи произвольных магнитных узоров путем локального изменения намагниченности отдельных островков использовались методы сканирования с зондом. Магнитная запись, вызванная топологическими дефектами (TMW)[29] использует дипольное поле намагниченного сканирующего зонда, чтобы вызвать топологические дефекты в поле намагниченности отдельных ферромагнитных островков. Эти топологические дефекты взаимодействуют с краями островков и аннигилируют, в результате чего намагниченность меняется на противоположную. Другой способ написания таких магнитных паттернов - это построение паттернов с помощью магнитно-силовой микроскопии,[30] где прикладывается внешнее магнитное поле немного ниже поля переключения наноостровков, и намагниченный сканирующий зонд используется для локального повышения напряженности поля выше той, которая требуется для обращения намагниченности выбранных островков.

В магнитных системах, где межфазная Взаимодействия Дзялошинского – Мория стабилизировать магнитные текстуры, известные как магнитные скирмионы, магнитная нанолитография со сканирующим зондом была использована для прямой записи скирмионов и решеток скирмионов.[31][32].

Сравнение с другими литографическими методами

Будучи последовательной технологией, SPL по своей сути медленнее, чем, например, фотолитография или литография наноимпринтов, в то время как распараллеливание, необходимое для массового производства, считается большим системная инженерия усилие (смотрите также Многоножка память ). Что касается разрешения, то методы SPL обходят оптический предел дифракции из-за использования сканирующих зондов по сравнению с фотолитографический методы. Некоторые зонды интегрированы на месте метрология возможности, позволяющие контролировать обратную связь в процессе записи.[33] SPL работает под окружающие атмосферные условия, без необходимости в сверхвысоком вакууме (UHV ), В отличие от электронный луч или же EUV литография.

Рекомендации

  1. ^ Гарсия, Рикардо; Knoll, Armin W .; Риедо, Элиза (Август 2014 г.). «Продвинутая сканирующая зондовая литография». Природа Нанотехнологии. 9 (8): 577–587. arXiv:1505.01260. Bibcode:2014НатНа ... 9..577Г. Дои:10.1038 / nnano.2014.157. ISSN  1748-3387. PMID  25091447. S2CID  205450948.
  2. ^ а б Мартинес, Р. В .; Losilla, N. S .; 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. Дои:10.1021 / nl070328r. ISSN  1530-6984. PMID  17352509.
  3. ^ Патент США 4785189
  4. ^ Ян, Йонгда; Ху, Чжэньцзян; Чжао, Сюешен; Солнце, Дао; Донг, Шен; Ли, Сяодун (2010). "Наномеханическая обработка трехмерных наноструктур сверху вниз методом атомно-силовой микроскопии". Маленький. 6 (6): 724–728. Дои:10.1002 / smll.200901947. PMID  20166110.
  5. ^ 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. Дои:10.1021 / jp1014725. ISSN  1932-7447.
  6. ^ Хуа, Юэминь; 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. Дои:10.1117/12.713374. S2CID  120189827.
  7. ^ 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. Дои:10.1126 / science.1187851. ISSN  0036-8075. PMID  20413457. S2CID  9975977.
  8. ^ 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. Дои:10.1002 / adma.200902568. HDL:10261/45215. PMID  20217754.
  9. ^ Фенвик, Оливер; Бозек, Лоран; Креджингтон, Дэн; Хаммиче, Аззедин; Лаззерини, Джованни Маттиа; Зильберберг, Ярон Р .; Качалли, Франко (октябрь 2009 г.). «Термохимические наноразмеры органических полупроводников». Природа Нанотехнологии. 4 (10): 664–668. Bibcode:2009НатНа ... 4..664F. Дои:10.1038 / nnano.2009.254. ISSN  1748-3387. PMID  19809458.
  10. ^ 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. Дои:10.1063/1.3271178. ISSN  0003-6951.
  11. ^ 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. Дои:10.1002 / adma.201202877. HDL:10044/1/19476. PMID  23138983.
  12. ^ Ван, Дебин; Кодали, Вамси К.; Андервуд II, Уильям Д.; Ярвхольм, 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. Дои:10.1002 / adfm.200901057.
  13. ^ 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». Langmuir. 29 (27): 8675–8682. Дои:10.1021 / la400996w. ISSN  0743-7463. PMID  23751047.
  14. ^ 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. Дои:10.1126 / science.1188119. ISSN  0036-8075. PMID  20538944. S2CID  9672782.
  15. ^ Ким, Суэнн; Бастани, Ясер; Лу, Хайдун; Кинг, Уильям П. Мардер, Сет; Sandhage, Kenneth H; Груверман Алексей; Риедо, Элиза; Бассири-Гарб, Назанин (2011). «Непосредственное изготовление сегнетоэлектрических наноструктур произвольной формы на пластиковых, стеклянных и кремниевых подложках». Современные материалы. 23 (33): 3786–90. Дои:10.1002 / adma.201101991. PMID  21766356.
  16. ^ Яшке, Манфред; Батт, Ханс-Юрген (1 апреля 1995 г.). «Осаждение органического материала кончиком сканирующего силового микроскопа». Langmuir. 11 (4): 1061–1064. Дои:10.1021 / la00004a004. ISSN  0743-7463.
  17. ^ 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. Дои:10.1002 / anie.200300608. PMID  14694469.
  18. ^ Пинер, Ричард Д .; Чжу, Цзинь; Сюй, Фэн; Хонг, Сынхун; Миркин, Чад А. (1999-01-29). ""Дип-ручка "Нанолитография". Наука. 283 (5402): 661–663. Дои:10.1126 / science.283.5402.661. ISSN  0036-8075. PMID  9924019.
  19. ^ Nelson, B.A .; King, W. P .; Laracuente, A.R .; Sheehan, P.E .; Уитмен, Л. Дж. (16 января 2006 г.). «Прямое осаждение сплошных металлических наноструктур методом термографической нанолитографии». Письма по прикладной физике. 88 (3): 033104. Bibcode:2006АпФЛ..88c3104N. Дои:10.1063/1.2164394. ISSN  0003-6951.
  20. ^ Ли, У-Гён; Робинсон, Джереми Т .; Gunlycke, Daniel; 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. Дои:10.1021 / nl203225w. ISSN  1530-6984. PMID  22050117.
  21. ^ Ли, У Гён; Дай, Женинг; Кинг, Уильям П .; Шихан, Пол Э. (13 января 2010 г.). «Наночастицы без масок для записи композитов наночастиц-полимеров и сборок наночастиц с использованием термальных нанозондов». Нано буквы. 10 (1): 129–133. Bibcode:2010NanoL..10..129L. Дои:10.1021 / nl9030456. ISSN  1530-6984. PMID  20028114.
  22. ^ Dagata, J. A .; Schneir, J .; Harary, H.H .; Evans, C.J .; Postek, M. T .; 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:1990АпФЛ..56.2001Д. Дои:10.1063/1.102999. ISSN  0003-6951.
  23. ^ "Нанохимия и нанолитографии сканирующих зондов - Обзоры химического общества (RSC Publishing)". Xlink.RSC.org. Получено 2015-05-08.
  24. ^ Garcia, R .; Losilla, N. S .; Martínez, J .; Мартинес, Р. В .; Palomares, F.J .; Huttel, Y .; Calvaresi, M .; Зербетто, Ф. (05.04.2010). «Нанопатернизация углеродистых структур методом расщепления углекислого газа под действием поля с помощью силового микроскопа». Письма по прикладной физике. 96 (14): 143110. Bibcode:2010ApPhL..96n3110G. Дои:10.1063/1.3374885. HDL:10261/25613. ISSN  0003-6951.
  25. ^ Суэц, Италия; и другие. (2007). «Литография со сканирующим зондом в высоком поле в гексадекане: переход от индуцированного полем окисления к разложению растворителем посредством модификации поверхности». Современные материалы. 19 (21): 3570–3573. Дои:10.1002 / adma.200700716.
  26. ^ 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:2003НатМа ... 2..468Л. Дои:10.1038 / nmat926. ISSN  1476-1122. PMID  12819776. S2CID  17619099.
  27. ^ Кестнер, Маркус; Хофер, Мануэль; Рэнджлоу, Иво В. (2013). «Нанолитография сканированием зондами на каликсареновом молекулярном стеклянном резисте с использованием комбинированной литографии». Журнал микро / нанолитографии, MEMS и MOEMS. 12 (3): 031111. Bibcode:2013JMM & M..12c1111K. Дои:10.1117 / 1.JMM.12.3.031111. S2CID  122125593.
  28. ^ Albisetti, E .; Petti, D .; Pancaldi, M .; Madami, M .; Tacchi, S .; Curtis, J .; King, W. P .; 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:2016НатНа..11..545А. Дои:10.1038 / nnano.2016.25. HDL:11311/1004182. ISSN  1748-3395. PMID  26950242.
  29. ^ Gartside, J.C .; Arroo, D. M .; Берн, Д. М .; Беммер, В. Л .; Москаленко, А .; Коэн, Л. Ф .; Бранфорд, У. Р. (2017). «Реализация основного состояния в искусственном спиновом льду кагоме посредством магнитной записи с топологическими дефектами». Природа Нанотехнологии. 13 (1): 53–58. arXiv:1704.07439. Bibcode:2018НатНа..13 ... 53Г. Дои:10.1038 / с41565-017-0002-1. PMID  29158603. S2CID  119338468.
  30. ^ Ван, Юн-Лей; 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:2016Научный ... 352..962W. Дои:10.1126 / science.aad8037. ISSN  0036-8075. PMID  27199423. S2CID  28077289.
  31. ^ 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:2018АпФЛ.112м2405З. Дои:10.1063/1.5021172. HDL:10754/627497.
  32. ^ Огнев, А. В .; Колесников, А.Г .; 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 скирмионная нанолитография с прямой записью". САУ Нано. 14 (11): 14960–14970. Дои:10.1021 / acsnano.0c04748. PMID  33152236.
  33. ^ [1] Система и метод сканирующей зондовой нанолитографии (EP2848997 A1)