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浅谈微纳米地图的印刷制作

《印艺》第340期 更新日期:2012-07-04

纳米图像印刷技术突破了微电子制作精度的极限(微米级别),把电子和印刷推进到了微观的纳米加工尺度。如今,地地图印刷制作方面,纳米技术的应用——微纳米地图的印刷制作日渐成熟。现简单介绍微纳米地图的分类和制作技术。

1、微纳地图特点与分类

普通地图是有选择地以二维或多维形式与手段在平面或球面上表示若干现象的图形或图像,科学地反映出自然和社会经济现象的分布特征。而微纳米地图与地图完全不同,它的尺寸微小,仅几百纳米至数微米。需借助高倍的光学显微设备才能看清地图轮廓,它不包含自然和社会经济现象的信息。

微纳米地图是近年来出现的新生事物。微纳米地图可分为平面图(图1)和立体图(图2)。图1是中科院化学所的科学家利用扫描隧道显微镜(STM)探针针尖在石墨表面施加电压,从而刻蚀的平面纳米级中国地图,地图的线粗细约为10μm,整体尺寸为数百纳米。图2是美国IBM公司科学家近日研发的3D纳米世界地图。该图基于高分子聚合物的表面,约22μm×11μm,共包含5 0 万个像素, 每个像素的面积为20μm2。海拔1000m的山脉在图中高度只有8μm,也就是说珠穆朗玛峰在图中也只有64μm高。

微纳米地图可分为毫微米量级、微纳米量级以及纳米级的三大类。图3是英国纳米生物咨询中心(BNC)科学家的杰作——世界上最小的毫微米量级的伦敦地铁交通图。使用的材料基体为3mm×2mm的单晶硅,地铁线路宽约几十微米;由牛津激光雕刻系统加工而成。图4 是比利时根特大学光学中心的科学家制作的一张1:10,000亿微纳米量级的世界地图,采用电子显微镜成像,微电子中传统的光学平板印刷技术制作,赤道长约40μm。图5是美国科学家采用电子束在氮化硅薄膜上沉积的钨制作的纳米量级的世界地图,图中赤道长仅230μm。图6是获得2006年台湾微观图像大赛的台湾地区纳米地图,图7是首届国际纳米艺术展的获奖作品的非洲大陆纳米地图。均采用扫描隧道显微镜成像,通过探针施加电流,在钛和硅表面绘制而成,地图尺寸仅几百纳米。其中,图7是两位知名的纳米艺术先驱—— 意大利的A l e s s a n d r oScali和南非的Robin Goode制作的纳米非洲图。制作微纳米地图的材质有半导体、生物、聚合物、金属和碳等多种。半导体材质的纳米地图最为常见。图8是一张生物材质(生物的DNA链条)的纳米中国地图——DNA中国地图。采用的技术为先进的 DNA折纸术,地图的整体尺寸约为几百纳米。

微纳米地图的创作机理可分为基于物理方法和基于化学方法的作品。图1~ 8的地图都属于基于化学方法制作的微纳米地图,因为在它们的制作方法中,都涉及到材料的氧化、聚合物的分解、腐蚀冲洗、化学气相沉积或DNA的聚合反应等。图9是完全基于物理方法制作,采用原子力显微镜(AFM)探针针尖在铜晶体表面刻画而成,用AFM成像的纳米台湾地图。该图是2006年台湾微观图像大赛的获奖作品。

2、微纳米地图的制作技术

微纳米地图的制作技术主要有以下几种。

1)光子 / 电子 / 离子束刻蚀技术

它是应用高能的光子、电子或离子束轰击、灼烧材料的表面,使材料表面局部蒸发或发生化学反应,从而形成微纳米图案、图形的技术。由于电子和离子的波长比光子更短,故刻蚀精度更高。图3、图1、图6和图7都是利用光子束和电子束刻蚀的微纳米地图。图10、图11是两张离子束刻蚀的微纳米地图——微纳米美国地图、美国得克萨斯州地图。它是采用聚焦的镓离子束轰击晶体硅的表面,从而在硅表面而形成的。两张地图的作者均为美国得克萨斯大学电子工程系的研究生Jang-Bae Jeon和Carlo Foresca。其实作品展示的重点是纳米美国国旗和纳米得克萨斯州州旗的纳米旗帜。这两面纳米旗帜分别竖立在微纳米美国地图和美国得克萨斯州地图上, 地图长约为人发丝的1 / 5 ( 约3~4μm),都必须在电子显微镜下才可观察。

2)DNA折纸术

由美国加州工学院纳米科学家Rothemund博士于2006年创造推出的纳米技术。他用这种技术已经成功绘制了纳米笑脸、纳米五角星等图案并发表于英国自然杂志。图8是我国学者用这种技术工艺制作的DNA纳米中国地图。DNA折纸术工艺过程为:从M13噬菌体中提取DNA单链,通过计算裁出短的DNA单链并经过人工合成;然后,将DNA单链与合成好的DNA片段混合、退火,得到设计样式的DNA超级大分子, 即最终的DNA图形。图12就是Rothemund博士采用DNA折纸技术制作的大小约几百纳米的DNA美洲地图。

3)光学平板印刷技术

简称光刻技术。它是通过光学系统以投影方法将掩模上的电路图形刻在涂有明胶的硅片上。光刻技术是目前发展得较为成熟的技术。它包括光刻机、掩模、光刻胶等一系列技术,涉及光、机、电、物理、化学、材料等多个研究领域。光刻技术目前已成功应用于微电子电路制作等领域。光刻图形的最小特征尺寸与光刻系统的分辨率相关。图4是比利时根特大学光学中心的科学家采用光刻技术在单晶硅材质上制作的纳米世界地图。

4)原子力显微镜刻画技术

原子力显微镜(AFM)刻画技术是利用AFM探针针尖与样品之间的相互作用力,在样品表面刮擦产生纳米尺度的结构。AFM刻画技术要求针尖要极其细小(比极其锋利的铅笔尖要细小10万倍)、材料刚硬度要足够大(多选用金刚石、碳化硅等),才能保证操作时不会严重磨损。图9就是使用美国Hysitron 公司的AFM在晶体铜表面刻画制作而成的尺寸为500×1000μm的纳米台湾地图。但由于受到探针粗细的限制,加工路径周围发生了切屑堆积现像,从而形成中央山脉的形貌。近来,国际材料科学顶级期刊《Advanced Materials》报道了美国IBM公司的科学家应用非常细小的AFM硅探针完成了一项纳米科研成果——三维的纳米世界地图(图2)。IBM科学家使用的主要工具就是AFM。

5)聚合物热解3D纳米图像制作技术

借助AFM硅探针,使用IBM最新研发的纳米图案成形技术,在纳米级硅探针针尖靠近聚合物表面之前对其进行加热,在原子力和热的作用下将聚合物中的高分子材料刨除以勾勒出3D图形,这就是聚合物热解3D纳米图像制作技术。图2 就是利用这种技术绘制的一幅具有立体感的3D纳米世界地图,制作该地图的重大突破就是将高分子材料移除,而不是向其中添加材料。为了进一步展示该技术的立体感效果,IBM公司的科学家使用该技术制作了一款3D版的1:50亿的马特洪峰图(图13),马特洪峰阿尔卑斯山高达4478米的主峰,而该峰在图上的高度仅25nm。

6)激光/电子束诱导沉积技术

就是在气厢环境中用高能激光或电子束辐照材料的基体表面,并诱发气相物质在特定的材料表面沉积而形成相应的图形或图案。图5的钨纳米世界地图就是美国科学家采用电子束辐照氮化硅膜的表面,诱导钨在薄膜上沉积形成的,该工作得到了美国国家自然基金的资助。图14是一幅纳米欧洲地图,它采用的制作技术是激光束诱导沉积技术,即用近场光学显微镜(SNOM)的光束在有机物气氛的实验环境下扫描试样的表面,从而在扫描的地方沉积有机纤维,最终在试样表面形成微纳米级的欧洲地图。这项成果发表于Photonics. Spectra杂志1995第11期,图案作为刊物封页论文报道。

总之,借助微纳米地图这一题材,纳米科学家已经在《Nature》、《Advanced Materials》等国际顶尖刊物发表了纳米、微纳米制作的图案等重大成果,如今,以纳米技术制作的地图已在纳米科技与纳米艺术领域内形成了一道独特的靓丽的风景线。