딥펜 나노석기법

Dip-pen nanolithography
클래식 DPN 메커니즘: 나노 크기의 끝에서 수면까지 물의 메니스크를 통해 퍼지는 분자 잉크.

딥펜 나노석판술(DPN)은 원자력현미경(AFM) 팁을 이용해 다양한 잉크로 다양한 물질에 직접 패턴을 만드는 스캐닝 프로브 석판술이다.[1] 이 기법의 일반적인 예는 금 표면에 각인하기 위해 알칸 티올레이트를 사용하는 것으로 예증된다.[2] 이 기법은 100나노미터 이하의 저울로 표면을 패터링할 수 있다. DPN은 딥펜(quill펜이라고도 함)의 나노기술 아날로그로, 원자현미경 캔틸레버의 끝이 '펜' 역할을 하는 것으로, 화학적 화합물이나 혼합물이 '잉크' 역할을 하는 '펜' 역할을 하며, 기질인 '종이'와 접촉한다.[3]

DPN은 나노스케일 소재를 기판에 유연하게 직접 증착할 수 있도록 한다. 최근의 발전은 55,000개의 팁으로 구성된 2차원 배열을 사용한 대규모 병렬 패터닝을 입증했다.

이 기술의 적용 범위는 현재 화학, 재료 과학, 생명 과학이며, 초밀도 생물 나노선, 적층 광마스크 수리 등이 있다.[4]

개발

분자 '잉크'가 코팅된 AFM 팁에서 기질로 제어 불가능한 이전은 1995년 자슈케와 버트에 의해 처음 보고되었지만,[5] 그들은 알카네티올이 안정적인 나노구조를 형성하기 위해 금 기판에 전달될 수 없다고 잘못 결론지었다. 노스 웨스턴 대학교, 미국의 한 연구 그룹 차드 Mirkin이 이끄는 독립적으로 그리고는 적당한 조건에서, 분자 표면들은"다이 포스포 피리딘 뉴클레오타이드"[6]Mirkin와 그의 cowork을 칭했던 높은 해상도의 석판 과정에서 안정적인chemically-adsorbed monolayers을 만드는 방법의 다양한로 옮겨질 수 있는 과정을 공부했다.음.정말s는 이 과정에 대한 특허를 보유하고 있으며,[7] 패터닝 기술은 액상 "잉크"를 포함하도록 확장되었다. "액체 잉크"는 "분자 잉크"와 비교할 때 매우 다른 증착 메커니즘에 의해 관리된다는 점에 유의해야 한다.

증착재료

분자잉크

분자 잉크는 일반적으로 DPN 팁에 코팅된 작은 분자로 구성되어 있으며, 물망울을 통해 표면으로 전달된다.[citation needed] 끝부분을 코팅하기 위해서, 사람들은 끝에 증기를 입히거나 끝부분을 분자 잉크가 함유된 희석액에 담글 수 있다. 팁을 한 번 딥코팅할 경우 침전 전에 용제를 제거해야 한다. 분자 잉크의 증착률은 분자의 확산 속도에 따라 달라지는데, 이는 분자마다 다르다. 형상의 크기는 팁/표면 체류시간(밀리초에서 초까지의 범위)과 습도 조건에 의해 결정되는 물음각(끝의 곡률 반경이 음각보다 훨씬 작다고 가정)에 의해 제어된다.

  • 물 메니스크가 매개됨(예외가 존재함)
  • 나노스케일 피쳐 분해능(50nm ~ 2000nm)
  • 멀티플렉스 예금 없음
  • 각 분자 잉크는 해당 기질에 제한된다.

예

  • 금으로 쓴 알칸 티올
  • 유리 또는 실리콘에 사일란스(고체 위상) 기록

액상 잉크

액상 잉크 증착 메커니즘

액상 잉크는 증착 조건에서 액상 물질일 수 있다. 액체 침적 특성은 액체와 팁, 액체와 표면의 상호작용, 액체 자체의 점도에 의해 결정된다. 이러한 상호작용은 액체의 접촉 각도에 따라 액체 잉크의 최소 형상 크기를 약 1마이크로미터로 제한한다. 높은 점성은 형상 크기에 대한 더 큰 제어를 제공하며 바람직하다. 분자 잉크와는 달리 캐리어 액체를 이용한 멀티플렉스 침전이 가능하다. 예를 들어 점성 완충제를 사용하면 여러 단백질을 동시에 직접 침전시킬 수 있다.

  • 1-10마이크로미터 피쳐 해상도
  • 다중예탁금
  • 덜 제한적인 잉크/표면 요구 사항
  • 고점도 소재의 직접 증착

예

적용들

좋은 DPN 애플리케이션을 정의하기 위해서는 DPN이 할 수 있는 다른 기법이 할 수 없는 일을 이해하는 것이 중요하다. 직접 쓰기 기법도 콘택트 인쇄와 마찬가지로 여러 생물학적 소재를 패턴화할 수 있지만 세포 이하의 해상도로 형상을 만들 수는 없다. 많은 고해상도 석판화 방법은 미크로미터 이하의 분해능에서 패턴화할 수 있지만, 이는 생체 분자 증착과 세포 배양용으로 설계되지 않은 고비용 장비가 필요하다. 마이크로 콘택트 프린팅은 주변 조건에서 생체 분자를 인쇄할 수 있지만 나노 크기의 레지스트리로 여러 재료를 패턴화할 수는 없다.

산업용 응용 프로그램

다음은 DPN이 잠재 제품에 어떻게 적용되고 있는지 보여주는 몇 가지 예들이다.

4가지 단백질로 기능화된 캔틸레버 바이오센서
  1. Biosensor 기능화 - 단일 Biosensor 장치에 직접 여러 캡처 도메인 배치
  2. 나노스케일 센서 제작 - 여러 대상을[16] 감지할 수 있는 소형 고부가가치 센서
  3. 나노스케일 단백질 칩 - 감도를 높인 고밀도 단백질 배열

새로운 애플리케이션

세포공학

DPN은 세포 이하의 분해능으로[17][18] 세포를 조작하는 강력한 연구 도구로 떠오르고 있다.

  • 줄기세포 분화
  • 세포하 약물전달
  • 셀 구분
  • 표면 그라데이션
  • 아세포 ECM 단백질 패턴
  • 세포접착

신속한 시제품 제작

DPN이 조작된 금색 미터 구조 어레이의 SEM 이미지.
  • 플라스모니틱스 및 메타물질
  • 세포 및 조직 검사

DPN 속성

직접 쓰기

DPN은 직접 쓰기 기법이라 하향식 및 상향식 리토그래피 애플리케이션에 사용할 수 있다. 하향식 작업에서 팁은 표면에 에치 저항을 전달하기 위해 사용되며, 표준 에칭 공정이 뒤따른다.[19] 상향식 어플리케이션에서는 관심 소재가 팁을 통해 표면으로 직접 전달된다.

하향식 DPN 방식으로 제조된 실리콘 미터 구조상의 금

독특한 장점

  • 지시된 배치 - 나노스케일 레지스트리를 사용하여 기존 나노 및 마이크로 구조물에 다양한 재료를 직접 인쇄
  • 직접 쓰기 - 50nm의 작은 크기 및 10마이크로미터의[20] 크기에서 임의의 해상도를 갖는 마스크 없는 임의 패턴 생성
  • 생체적합성 - 주변 침전 조건에서 아세포에서 나노 크기의 분해능
  • 확장 가능 - 강제 독립성, 병렬 퇴적[21] 허용

열 딥 펜 리토그래피

나노 입자를 보관하기 위한 열간 딥 펜 리토그래피(thermal dip Pen litotography, TDPL)의 열간 프로브 팁 버전도 시연되었다.[22] 반도체, 자석, 금속 또는 광학적으로 활성화된 나노입자는 이 방법을 통해 기질에 쓸 수 있다. 입자는 PMMA(Polyl methyl metacrylate) 또는 동등한 폴리머 매트릭스에 매달려 있으며, 흐르기 시작할 때까지 프로브 팁에 의해 가열된다. 프로브 팁은 나노 펜 역할을 하며 나노 입자를 프로그래밍된 구조로 패턴화할 수 있다. 나노입자의 크기에 따라 78~400nm의 해상도가 달성되었다. O2 플라즈마 에치를 사용해 PMMA 매트릭스를 제거할 수 있으며, Iron Oxide 나노입자의 경우 라인의 분해능을 10nm로 더욱 낮춘다.[22] TDPL만의 장점은 매우 좁은 해상도를 달성할 수 있는 무마스크 적층 공정으로 특별한 솔루션 준비 기법 없이도 여러 종류의 나노입자를 쉽게 쓸 수 있다는 점이다. 그러나 이 방법에는 한계가 있다. 나노입자는 폴리머의 교화 반지름보다 작아야 하며, PMMA의 경우 이것은 약 6 nm이다. 또한 나노입자의 크기 점성이 증가함에 따라 공정이 느려진다. 순수 고분자 증착 속도는 200μm/s이다. 나노입자를 추가하면 속도가 2μm/s로 줄어들지만 여전히 일반 딥펜 리토그래피보다 빠르다.[22]

보 펜 석판화

변형 가능한 투명 피라미드 형태의 2차원 어레이(PDMS)는 불투명한 금속 층으로 코팅되어 있다. 그리고 나서 그 금속은 피라미드의 맨 끝에서 제거되어 빛이 통과할 수 있는 구멍을 남겨둔다. 그런 다음 배열은 표면을 가로질러 스캔되고 빛은 마이크로미러 배열을 통해 각 피라미드의 밑부분으로 향하게 되는데, 이 배열이 빛을 끝쪽으로 보낸다. 팁과 표면 사이의 거리에 따라 빛이 표면과 근거리 또는 원거리 방식으로 상호작용하여 하위-감축 스케일 특징(400nm 조명 100nm 기능) 또는 더 큰 형상을 제작할 수 있다. [23]

일반적인 오해

다른 기법과 직접 비교

마이크로 콘택트 인쇄를 사용하여 Streptavidin(4nm 두께) 침전

가장 자주 DPN을 향한 비판은 패터링 속도다. 그 이유는 어떤 내재적인 약점이라기보다는 다른 기법들과 비교되는 방법과 더 관련이 있다. 예를 들어 소프트 리터그래피 방식인 마이크로컨택트프린팅(μCP)은 저비용, 벤치탑 마이크로, 나노스케일 패터닝의 현행 표준이기 때문에 DPN을 마이크로컨택트 프린팅과 직접 비교하는 이유를 쉽게 이해할 수 있다. 문제는 그 비교가 보통 μCP에 매우 적합한 응용에 근거하는 것이지, 어떤 중립적인 응용에 비교하는 것이 아니라는 점이다. μCP는 하나의 노출에서 광석학(光石學)이 넓은 영역에 걸쳐 패턴화할 수 있는 것처럼 한 번의 스탬핑 단계로 넓은 영역에 걸쳐 하나의 재료를 패턴화할 수 있는 능력을 가지고 있다. 물론 DPN은 다른 기법의 강도와 비교할 때 느리다. DPN은 마스크가 없는 직접 쓰기 기법으로 크기, 모양, 형상 해상도가 다양한 여러 가지 패턴을 모두 단일 기질에 만들 수 있다. 아무도 그러한 프로젝트에 마이크로 콘택트 프린팅을 적용하려고 하지 않을 것이다. 왜냐하면 그렇게 하면 각각의 새로운 패턴에 대해 각각의 마스터 스탬프를 제작하는 데 필요한 시간과 돈을 결코 투자할 가치가 없기 때문이다. 해도 마이크로컨택 인쇄는 여러 우표에서 나온 여러 재료를 나노스케일 레지스트리에 맞출 수 없을 것이다.[24] 이러한 오해를 이해하는 가장 좋은 방법은 광석학(光石學)과 전자빔 석판학(e-beam)을 적용하는 여러 가지 방법을 생각하는 것이다. 아무도 사진 석회화 문제를 해결하기 위해 전자빔을 사용하려 하지 않을 것이다. 그리고 나서 전자빔이 "너무 느리다"고 주장할 것이다. 광석학(光石學)의 넓은 면적패터링 능력과 직접 비교했을 때, 전자빔 석판술은 느리지만, 전 세계 모든 연구소와 나노랩에서 전자빔 악기를 발견할 수 있다. 그 이유는 전자빔은 DPN이 마이크로컨택 인쇄로는 따라올 수 없는 독특한 기능을 가지고 있는 것처럼 광석학으로는 따라올 수 없는 독특한 기능을 가지고 있기 때문이다.

원자력 현미경 연결

DPN은 AFM에서 직접 진화했기 때문에 어떤 상업적 AFM도 DPN 실험을 수행할 수 있다고 사람들이 종종 추측하는 것은 놀라운 일이 아니다. 사실, DPN은 AFM을 필요로 하지 않으며, AFM이 반드시 실제 DPN 기능을 가지고 있는 것은 아니다. 전자 현미경(SEM)과 전자빔(E-Beam) 석판 촬영과 유추할 수 있다. 전자빔은 SEM 기술에서 직접 진화했고 둘 다 집중 전자빔을 사용하지만, 적절한 석판 하드웨어와 소프트웨어 구성요소가 부족한 SEM에서는 현대 전자빔 석판화 실험을 할 수 없다.

DPN의 고유한 특징 중 하나인 힘 독립성을 고려하는 것도 중요하다. 사실상 모든 잉크/기포 조합으로, 팁이 아무리 표면을 눌러도 동일한 형상 크기가 패턴화된다.[25] 강력한 SiN 팁을 사용하는 한 복잡한 피드백 전자 장치가 필요 없고 레이저가 필요 없으며 4중 포토다이오드도 필요 없으며 AFM도 필요하지 않다.

참고 항목

참조

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