Технологии за семью нанопечатями

Людей древних эпох вдохновляли большие размеры. Подтверждение тому - семь чудес света, которые все были гигантскими сооружениями. С развитием науки и технологий человечеству открылась красота микромира. Исследователи не просто вдохновляются секретами природы, но реализуют благодаря им прикладные задачи, в частности, придают материалам совершенно уникальные свойства с помощью технологии наноимпринтинга.

Производство  искусственных микроструктур стало  возможным благодаря изобретению во второй половине прошлого века техники фотолитографии. Эта магистральная технология дала начало бесчисленным полупроводниковым и электронным устройствам, значительно изменившим наш образ жизни. Однако по мере того как тенденция к миниатюризации продолжала стимулировать разработку всё новых поколений устройств, фотолитография достигла естественного предела, обусловленного дифракцией света. По аналогии с фотолитографией были изобретены новые методы, такие как литография с освещением далёким ультрафиолетом и электронно-лучевая литография, которые позволяли создавать нанометровые структуры. Однако эти методы чрезвычайно дороги для использования в массовом производстве, тут необходим совершенно иной подход.       

Наноимпринт-литография (НИЛ) предлагает необычную  альтернативу для производства наноструктур. Этот метод был разработан около 15 лет назад и сегодня широко используется как академическими учёными, так и в исследовательских центрах компаний. В 2003 году Массачусетский технологический институт включил НИЛ в список десяти недавно появившихся технологий, которые в будущем способны изменить мир. Уже сегодня целый ряд компаний использует НИЛ в промышленном производстве.  

Концепция наноимпринтинга очень проста и  во многом напоминает классическую технику  горячего тиснения полимеров ( см . рис. 1). Резист из термопластичного полимера наносится на плоскую поверхность  субстрата и нагревается выше его температуры стеклования (Т_с). Затем сверху под давлением опускается жёсткая печать с микро- или наноразмерным рельефным рисунком. Образец охлаждается ниже Т_сполимера, после чего давление снимается. Подвергшаяся такому воздействию полимерная плёнка запечатлевает полную реплику печати. При другом подходе используются УФ-отверждающийся резист и прозрачная кварцевая печать, что даёт возможность осуществлять процесс «запечатления» (импринтинга) при комнатной температуре. Вследствие того, что печать не может полностью вытеснить полимер, его тонкий остаточный слой всегда остаётся между печатью и субстратом. В тех приложениях, для которых наличие остаточного слоя нежелательно, он убирается реактивным ионным травлением (РИТ). Конечно, печать для НИЛ должна быть предварительно изготовлена каким-либо другим литографическим процессом. Однако как только она сделана, её можно многократно использовать для воспроизведения рельефного рисунка шаблона. Процесс НИЛ не требует никаких хрупких оптических элементов, поэтому оборудование для производства стоит на порядок меньше, чем в конкурентных методах. Стоит также отметить, что НИЛ была разработана как литографическая техника нового поколения, но она также широко использовалась как метод создания сложных наноструктур на поверхности. Чтобы отличить это конкретное приложение от литографического процесса, мы будем называть его технология наноимпринта. 

Технологию наноимпринта совершенствуют учёные из Института исследования и технологии материалов (Institute of Materials Research and Engineering) в Сингапуре, которые выявили, что напечатанные структуры могут быть гораздо более сложными, чем простая реплика печати, и  разработали уникальные процессы изготовления сложных трёхмерных микро- и наноструктур путём комбинирования печатей с различным рисунком. Так на поверхности кремния были получены структуры Т-образной формы из полиметиметакрилата (ПММА) ( см.  рис. 2, а), которые могут быть использованы для разделения пикселей в дисплеях нового поколения со сверхвысоким разрешением. С помощью того же подхода были изготовлены и изолированные запечатанные каналы из ПММА ( см . рис. 2, б), которые находят применение в наножидкостных устройствах. 

Справка STRF:
Кирюхин Максим, выпускник химического факультета МГУ, кандидат химических наук, научный сотрудник Института исследования и технологии материалов (Сингапур)

Научный сотрудник Института исследования и технологии материаловМаксим Кирюхин рассказал STRF.ru, что вдохновило учёных на создание технологии наноимпринта:

- Создание микро- или наноструктур на поверхности субстрата не только изменяет его топографию, но может существенно модифицировать свойства вещества. И в этой сфере мы всё ещё лишь внимательные ученики самого мудрого из профессоров - Природы. Блестящие и яркие крылья бабочек выкрашены во все цвета радуги безо всяких красок; гекконы, не смазывая свои лапки клеем, умеют резво бегать по отвесным стенам и потолкам; листья некоторых растений очищают себя и отталкивают капельки воды безо всякой химической обработки. Всё это стало возможным благодаря удивительной иерархически-структурированной топографии биологических объектов.

Создавая аналогичные перечисленным природным объектам структуры, мы преуспели в управлении свойствами самых обычных полимеров без изменения их химической природы. Посмотрим на внутреннюю структуру чешуек крыльев бабочки  Ancyluris meliboeus  ( см.  рис. 3, а), они состоят из рядов наклонённых кутикул субмикронного размера, на которых происходит многократная дифракция и интерференция падающего света, что и придает бабочкам их яркую окраску. Методом наноимпринтинга можно создать на поверхности поликарбоната ряды столбиков и, применив горизонтальное усилие сдвига, вызвать их дружное падение набок ( см.  рис. 3, б). В результате бесцветный до того полимер также окажется окрашен в яркие радужные цвета.

Водоотталкивающие свойства листьев  Hygroryza aristata  и анизотропная смачиваемость листьев риса обусловлены сложной иерархической структурой их поверхности ( см.  рис. 4, a’- б’). Обе структуры были успешно воспроизведены на поверхности полистирола с помощью метода, который мы назвали методом последовательного импринтинга ( см.  рис. 4, а - б). При этом в первом случае значительно увеличилась гидрофобность полимера (контактный угол с водой увеличился на 30⁰ по сравнению с гладким исходным полистиролом), а во втором капля воды вытягивалась и стекала вдоль напечатанных дорожек.

В своей работе мы активно сотрудничаем как с университетами, так и с компаниями из разных стран мира. Для этого у нас созданы все условия для синтеза и структурирования различных материалов,  их всестороннего анализа и характеристики с помощью самого современного оборудования, а также производства различных устройств на их основе.