نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته

دانشمندان می‌کوشند روش‌هایی ابداع کنند که بتوان با آنها سطوحی در مقیاس ۱ تا ۱۰۰ نانومتر را شکل داد. چنین دستاوردی برای فناوری نانو بسیار مهم و بنیادی است، زیرا دانشمندان رشته‌های مختلف مانند الکترونیک، داروسازی یا تشخیص بیماری‌ها را برای ورود به دنیای نانو توانمند می‌سازد. پس از اختراع میکروسکوپ تونل‌زنی اتمی (STM) و به دنبال آن میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) متخصصان زیادی کوشیده‌اند طرح‌هایی را با مشقت فراوان توسط بازوهای ظریف این میکروسکوپ‌ها اتم به اتم بچینند. نمونه‌هایی از این طرح‌ها در شکل زیر دیده‌ می‌شوند. این کار زمان زیادی می‌برد و برای انجام آن باید خلأ بسیار بالا و دمای پایین ایجاد کرد.
گروه دیگری از متخصصان، از STM و AFM برای خراشیدن یا ایجاد واکنش اکسیداسیون در سطوح نانویی استفاده کرده‌اند. این تکنیک‌ها کاربردهای مهمی دارند، اما متأسفانه اکسیداسیون را تنها بر سطوح خاصی از فلزات و نیمه‌هادی‌ها به وجود می‌آورند و به علاوه نمی‌توان به‌راحتی آنها را برای ایجاد چند لایه روی هم به کار گرفت.
«نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته» که به طور خلاصه DPN نامیده می‌شود، روش نوینی برای طراحی سیستم‌ها در مقیاس نانومتری است. در این روش یک سوزن بسیار نوک‌تیز، مواد شیمیایی (جوهر) را روی سطح مورد نظر می‌نشاند. با این روش، که شبیه استفاده از پر برای نوشتن است، نقش‌هایی به ریزی چند ده نانومتر قابل ترسیم‌اند. همچنین می‌توان انواع گوناگونی از جوهرها، از پوشش‌های فلزی گرفته تا ذرات نانومتری یا مولکول‌های زیستی را در شرایط کنترل‌شده به کار گرفت.
● نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته چیست؟
این روش توسط «سی میرکین» و همکارانش در دانشگاه «نورث وسترن» ابداع شد. آنها توانستند مولکول‌ها را در فرآیندی قابل کنترل با استفاده از نوک سوزن یک میکروسکوپ نیروی اتمی روی سطح بنشانند. این روش در شکل زیر نشان داده شده است.
در کارهای اولیه‌ای که به روش DPN انجام می‌شد، مولکول‌ آلی «تایول» و سطح طلا به کار می‌رفتند (شکل ۲). با استفاده از این سیستم، عوامل مؤثر در انتقال جوهر و حد دقت آن مشخص شد. به‌ویژه معلوم گردید که پخش جوهر بر روی سطح، برای این سیستم، به عوامل محیطی مانند دما و رطوبت وابسته است. متخصصان با کنترل این عوامل موفق به دستیابی به دقت بیشتر در ترسیم شدند. علاوه بر این، محققان توانستند لایه‌ای‌ به ارتفاع فقط یک مولکول، به تفکیک ۱۲ نانومتر، را با استفاده از AFM به دست آورند.
مقصود از تفکیک حداقل فاصلهٔ قابل رعایت بین دو نقطه در طرح است، به طوری که دو نقطه از هم قابل تجزیه باشند. این مفهوم معادل قدرت تفکیک در چاپگرهاست.
شکل ۲: نقش جوهر بر روی طلا که با استفاده از نانولیتوگرافی قلم آغشته در سرعت‌های متفاوت نگاشته شده‌اند. (سرعت‌ها از چپ به راست: ۰.۸، ۰.۶، ۰.۴، ۰.۲ و ۰.۱ میکرومتر بر ثانیه)
قدرت بی‌نظیر DPN و قابلیت‌های وسیع آن، توجه محققان زیادی را به خود جلب کرد. آنها دست به آزمایش‌های زیادی با این تکنیک زدند. در نتیجهٔ این تحقیقات، آنها متوجه شدند فرآیند DPN برای تعداد زیادی از مولکول‌ها به عنوان جوهر قابل انجام است: سورفکتانت‌ها، مولکول‌های بزرگِ باردار مانند پروتئین‌ها و پولیمرها، مواد تشکیل‌دهندهٔ سل‌ژل، اکسیدهای فلزی و حتی نانوذرات (شکل زیر را ببینید). سطوح قابل استفاده شامل فلزات (مانند طلا اگر از تیول به عنوان جوهر استفاده شود)، نارساناها (مانند اکسید آلومینیوم یا اکسید سیلیکون) و نیمه‌رساناها (مانند آرسنید گالیم) هستند.
سورفَکتانت‌ها موادی آلی هستند، دارای یک سر قطبی (آب‌گریز) و یک سر غیرقطبی (آب‌دوست). سر قطبی در آب محلول است، اما سر غیر قطبی در آب حل نمی‌شود و به همین علت این مواد همیشه به سطح آب می‌آیند و چون سطح آب محدود است، این مولکول‌ها یک لایهٔ نازکِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشکیل می‌دهند. به این خاصیت «خودساماندهی» می‌گویند. انواع مواد شوینده از این نوع‌اند. در مواد شوینده سر غیرقطبی به چربی‌ها و روغن‌ها می‌چسبد و در نتیجه می‌توانیم آنها را با آب بشوییم.
توانایی‌های منحصربه‌فرد فرآیند DPN آن را به روشی پیشرو برای ترسیم نقوش با تفکیک بالا در ابعاد نانومتری تبدیل می‌کند. در بین روش‌هایی که برای ابعاد زیر ۵۰ نانومتر قابل استفاده‌اند، مانند لیتوگرافی پرتو الکترونی، DPN تنها ابزاری است که می‌تواند مولکول‌ها را به طور مستقیم در شرایط کنترل‌شده روی سطح بنشاند. در حقیقت، از آنجا که ابزارهای DPN از میکروسکوپ‌های پیمایشی استفاده می‌کنند، می‌توانند عملیات ترسیم نقوش و تصویربرداری را همزمان انجام دهند. مسئلهٔ مهم در اینجا تولید نقوش پیچیده در ابعاد نانومتری نیست؛ مسئلهٔ مهم‌تر این است که بتوان این نقوش را ــ که ممکن است ملزم به پیاده‌سازی در چند مرحلهٔ مجزا باشند ــ به دقت نسبت به هم تثبیت کرد. محققان با استفاده از DPN توانسته‌اند نقوش مختلف را با استفاده از جوهرهای مختلف با خطای کمتر از ۵ نانومتر روی هم رسم کنند.
▪ برای جمع‌بندی می‌توانیم بگوییم که نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشته، مزایای زیر را دارد:
۱. قدرت تفکیک بالا. ترسیم نقوشی به کوچکی ۱۲ نانومتر، با دقت ۵ نانومتر و قابل تطبیق بر نقوش لایه‌های بعدی؛
۲. بی‌نیاز از خلأ. برای انتقال جوهر به سطح با استفاده از سوزن AFM، کافی است شرایط محیطی محصورشده‌ای فراهم کنیم. بر خلاف برخی روش‌های دیگر، در این روش ترسیم به خلأ نیازی نیست. این خاصیت به‌ویژه در مورد مولکول‌های زیستی که در خلأ آسیب می‌بینند بسیار مهم است؛
۳. قدرت ترسیم مستقیم. مواد مورد نظر می‌توانند دقیقاً (و فقط) در جایی که مطلوب است گذارده شوند. به علاوه، نقوش ترسیم‌شده به این روش، به عنوان فیلتر فوتورزیست برای فرآیندهای میکروالکترونیک استاندارد قابل استفاده اند؛
۴. امکان به کارگیری مواد گوناگون. در نقش‌های ترسیمی با DPN می‌توان از انواع متنوع جوهر بر روی سطوح مختلف استفاده کرد؛
۵. قابلیت هدایت خودکار. این روش را می‌توان به‌راحتی و با برنامه‌ریزی ماشین‌های موجود به طور خودکار پیاده کرد.
این برتری‌ها، DPN را روشی بسیار سودمند برای توسعهٔ لیتوگرافی در ابعاد نانومتری ساخته است. در مقیاس آزمایشگاهی، این تکنیک می‌تواند همهٔ کارآیی‌های سایر روش‌های لیتوگرافی را داشته باشد. اما حوزه‌های گوناگون صنعت هم می‌توانند با استفاده از این روش به تولید صنعتی محصولات جدید بپردازند. در ادامه به چند کاربرد این تکنیک که احتمال صنعتی شدن آن زیاد است، اشاره می‌کنیم.
● کاربردهایی برای DPN
پیش‌بینی در مورد مسیر فناوری‌های نوظهورا بسیار مشکل است. با این حال، بررسی تعداد مقالات و فعالیت‌های علمی نشان می‌دهد که DPN احتمالاً تأثیر مهمی در صنعت خواهد گذاشت. در این بخش، به چند حوزهٔ مهم که این فناوری بر آنها تأثیرگذار خواهد بود تمرکز می‌کنیم؛ گرچه هنوز حوزه‌های دیگری برای بررسی و پیدا کردن کاربردهای جدید وجود دارند.
DNA یک مولکول بسیار بزرگ است که از کنار هم قرار گرفتن عوامل ساختاری کوچک‌تری به نام «ژن» تشکیل می‌شود. ترکیب و ترتیب قرارگیری ژن‌ها در این مولکول، همهٔ خواص زیستیِ مولکول مانند کارکرد و سرعتِ تکثیر آن را مشخص می‌کند. در صورتی که ترتیب ژن‌ها به علت عوامل خارجی یا داخلی تغییر کند، اصطلاحاً «جهش ژنتیکی» رخ می‌دهد که عامل بسیار مهمی در ایجاد بسیاری از بیماری‌ها ــ و از همه مهم‌تر سرطان ــ است. از همین رو، اگر ترکیب ژن‌های DNA را ثبت کنیم، می‌توانیم به نارسایی‌های آن پی ببریم و این گام بسیار مهمی در تشخیص و درمان بیماری است (در صورت تشخیص زودهنگام سرطان، احتمال درمان بیماری بسیار زیاد است).
الف ـ آرایه‌های مولکول‌های زیستی در ابعاد میکرو و نانو
امروزه زیست‌شناسان از روش‌های جدیدی برای تشخیص ترکیب ژنتیکی مولکول‌های زیستی استفاده می‌کنند. تقریباً همهٔ اطلاعات لازم در مورد ساختار یک سلول و بیماری‌های احتمالی آن، مانند جهش ژنتیکی که عامل اصلی ایجاد سرطان و برخی نارسایی‌های دیگر زیستی است، در DNA وجود دارد.
جدیدترین ابزاری که برای تشخیص ژن‌های DNA به کار گرفته می‌شود، «چیپ‌های زیستیِ آرایه‌ای» است. در این ابزار، تعداد زیادی حس‌گر که هر کدام به نوع خاصی از ژن حساس‌اند، به‌دقت کنار هم چیده شده‌اند. ترتیبِ قرارگیری آنها طوری تنظیم شده است که هر دسته از آنها نوع مشخصی از ترتیبِ ژن‌ها را مشخص می‌کنند. به طوری که هرDNA به خاطر ساختار خاص خود تنها به یک دسته از حس‌گرها می‌چسبد. با تشخیص محل قرارگیری مولکول DNA ناشناخته روی چیپ زیستی و مقایسهٔ آن با مرجع، می‌توان ترکیب ساختاری مولکول را به‌سرعت پیدا کرد.
برای ساخت چیپ‌های زیستیِ آرایه‌ای که بتوانند انواع مختلف DNA را تشخیص دهند، باید بتوانیم تعداد زیادی مولکول‌ حس‌گر را به‌درستی کنار هم بچینیم. DPN به عنوان تکنیکی برای نوشتن مستقیم مولکول‌ها روی سطوح، قابلیت‌های زیادی به دست پژوهشگران داده است و توان ساخت چیپ‌های پیشرفته‌تر با سرعت و دقت تشخیص بسیار بالاتر را فراهم آورده است.
ب ـ ساخت ماسک برای حک کردن طرح‌های نانومتری با استفاده از خوردگی مرطوب
یکی از روش‌های مرسوم برای ترسیم طرح‌ها روی سطوح، «خوردگی مرطوب» است. خوردگی مرطوب شباهت زیادی به تکنیکی دارد که برای ایجاد یک فیبر مدار چاپی برای یک مدار خاص الکترونیکی استفاده می‌شود، اما در ابعادی بسیار کوچک‌تر. در این روش ابتدا طرح مورد نظر با لایه‌ای از مواد مقاوم در برابر خوردگی روی سطح ترسیم می‌شود. سپس سطح در مایعی قرار می‌گیرد که خاصیت خوردگی دارد. در نتیجه، قسمت‌هایی که در تماس با مایع‌اند حل می‌شوند. میزان پیشروی در سطح با کنترل عوامل مختلف، مانند دما، میزان غلظت حلال و زمان تماس با مایع قابل تنظیم است. اما لازمهٔ این روش، رسم طرح مورد نظر با مادهٔ مقاوم روی سطح است. به طور سنتی این کار با استفاده از تکنیک‌های عکاسی صورت می‌گرفت، اما از انجا که طول موج نور بسیار بزرگ‌تر از نقش‌هایی است که می‌خواهیم ایجاد کنیم، رسیدن به قدرت تفکیکِ کمتر از چند صد نانومتر با روش‌های سنتی غیرممکن است. به همین علت، DPN که به طور مستقیم طرح مورد نظر را با مادهٔ مقاوم بر روی سطح رسم می‌کند، پیشرفت بسیار مهمی در این حوزه به شمار می‌رود. قابلیت به‌کارگیری این تکنیک برای سطوح مختلف، میزان امیدواری کارشناسان برای به‌کارگیری صنعتی آن را افزایش می دهد. به‌تازگی سوزن‌های مخصوص چندگانه‌ای برای ترسیم موازیِ طرح‌ها با تکنیک DPN ساخته ‌شده‌اند که می‌توانند تا ده هزار طرح را به طور موازی رسم کنند.
● آخرین دستاورد: استفاده از جوهرهای خشک
به‌تازگی با استفاده از یک تکنیک جدید در مرکز تحقیقات نیروی دریایی آمریکا و دانشگاه «جُرجیا تِک» ــ که بر پایهٔ DPN طراحی شده است ــ محققان توانسته‌اند انواع جدیدی از جوهرهای خشک را به طور کنترل‌شده روی سطح بنشانند. در این روش، دمای سوزن میکروسکوپِ نیروی اتمی با سازوکاری داخلی قابل تغییر و کنترل است. با افزایش دمای سوزن، مادهٔ جامدی که به عنوان جوهر روی سوزن قرار داده شده است ذوب می‌شود و روی سطح می‌چسبد. با سرد کردن سوزن، دیگر جوهر به سطح نمی‌چسبد و به این ترتیب می‌توان طرح پیاده‌شده را با دقت بیشتری کنترل کرد. مراحل این فرآیند در تصویر زیر دیده می‌شوند. این روش را «نانولیتوگرافیِ قلمِ آغشتهٔ گرمایی» نامیده‌اند.
یکی از مهم‌ترین مزایای این روش امکان به‌کارگیری آن در خلأ است. جوهرهای مایع در خلأ قابل استفاده نیستند، زیرا به‌سرعت قبل از اینکه به سطح بچسبند بخار می‌شوند. این موضوع گاهی باعث کاهش دقت مسیر جوهر و پخش شدن آن روی سطح می‌شود. با استفاده از روش گرمایی امکان ترسیم نقش‌های ظریف‌تر فراهم شده است. محققان امیدوارند بتوانند طرح‌هایی را در ابعاد کمتر از ۱۰ نانومتر با این روش ترسیم کنند. استفاده از سوزن‌های متعدد برای ترسیم موازی، در این روش هم امکان‌پذیر شده است.
● دربارهٔ مبتكر روش لیتوگرافی قلم آغشته
«چاد میرکین» لیسانس خود را از کالج دیکینسون (۱۹۸۶) و دکترای خود را از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا (۱۹۸۹) گرفت. بعد از گذراندن یک دورهٔ پَسادکتری در ام. آی. تی با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا جزو هیئت علمی دانشگاه نورث وسترن شد. او در حال حاضر کرسی جرج راتمان در شیمی و مدیریت مرکز تحقیقات نانوفناوری را در این دانشگاه بر عهده دارد. میرکین همچنین رهبری یک برنامهٔ تحقیقاتی بین‌رشته‌ای متمرکز بر فیزیک و شیمی برای ارائهٔ راه‌حل‌های مسائل نانوفناوری، به‌خصوص معماری سطوح در این ابعاد را انجام می دهد.
او جوایز بسیاری گرفته است که از جمله می‌توان به اینها اشاره کرد:
۱. جایزهٔ ACS در شیمی محض؛
۲. جایزهٔ فاینمن؛
۳. جایزهٔ ویلسون از دانشگاه هاروارد.
او جزو بنیانگذاران دو شرکت Nanoink و Nanosphere است. فعالیت‌های این دو شرکت بر اساس یافته‌های علمیِ گروه او شکل گرفته‌اند.

مراجع
۱- “The Evolution of Dip-Pen Nanolithography”, Chad A. Mirkin et al. Angew. Chem Int. Ed. ۲۰۰۴, pp. ۳۰, ۴۳, ۴۵.
۲- Getting Small with Dip-Pen Nanolithography, S. Cruchon-Dupeyrat, Nanoink Inc.
۳- “Nanoscale Deposition of Solid Inks via Thermal Dip Pen Nanolithography”, P.E.Sheehan et al. Applied Physics Letters, ۲۰۰۴, Vol. ۸۵, No. ۹, pp. ۱۵۸۹-۱۵۹۱.
نویسنده : سانلی پورفائز

منبع : باشگاه دانش‌آموزی نانو