La litografía con sonda de barrido [1] ( SPL ) describe un conjunto de métodos nanolitográficos para modelar el material en la nanoescala utilizando sondas de barrido. Es un enfoque sin máscara de escritura directa que evita el límite de difracción y puede alcanzar resoluciones por debajo de 10 nm. [2] Se considera una tecnología litográfica alternativa de uso frecuente en entornos académicos y de investigación. El término litografía de sonda de barrido se acuñó después de los primeros experimentos de creación de patrones con microscopios de sonda de barrido (SPM) a finales de la década de 1980. [3]
Clasificación
Los diferentes enfoques hacia el SPL se pueden clasificar por su objetivo de agregar o eliminar material, por la naturaleza general del proceso, ya sea químico o físico, o de acuerdo con los mecanismos impulsores de la interacción sonda-superficie utilizados en el proceso de modelado: mecánico , térmica , difusiva y eléctrica .
Descripción general
Mecánica / termomecánica
La litografía con sonda de barrido mecánico (m-SPL) es un enfoque de arriba hacia abajo de nanomáquina o nano-rayado [4] sin la aplicación de calor. [5] El SPL termomecánico aplica calor junto con una fuerza mecánica, por ejemplo, sangría de polímeros en la memoria de milpiés .
Térmico
La litografía con sonda de barrido térmico (t-SPL) utiliza una sonda de barrido calentable para eliminar de forma eficiente el material de una superficie sin la aplicación de fuerzas mecánicas significativas. La profundidad del patrón se puede controlar para crear estructuras 3D de alta resolución. [6] [7]
Termoquímico
La litografía con sonda de exploración termoquímica (tc-SPL) o la nanolitografía termoquímica (TCNL) emplean las puntas de la sonda de exploración para inducir reacciones químicas activadas térmicamente para cambiar la funcionalidad química o la fase de las superficies. Tales reacciones activadas térmicamente se han demostrado en proteínas , [8] semiconductores orgánicos , [9] polímeros conjugados electroluminiscentes , [10] y resistencias de nanocintas . [11] Además, se ha demostrado la desprotección de grupos funcionales [12] (que a veces implica gradientes de temperatura [13] ), la reducción de óxidos [14] y la cristalización de cerámicas piezoeléctricas / ferroeléctricas [15] .
Pluma de inmersión / pluma de inmersión térmica
La litografía con sonda de exploración con lápiz (dp-SPL) o nanolitografía con sonda (DPN) es una técnica de litografía con sonda de exploración basada en la difusión , en la que la punta se emplea para crear patrones en una variedad de sustancias mediante la deposición de una variedad de tintas líquidas. . [16] [17] [18] La litografía con sonda de barrido con lápiz de inmersión térmica o la nanolitografía con lápiz de inmersión térmica (TDPN) extienden las tintas utilizables a sólidos, que pueden depositarse en su forma líquida cuando las sondas se precalientan. [19] [20] [21]
Oxidación
Litografía con sonda de exploración de oxidación (o-SPL), también llamada nanolitografía de oxidación local (LON), oxidación con sonda de exploración, nano-oxidación, oxidación anódica local, la litografía de oxidación AFM se basa en el confinamiento espacial de una reacción de oxidación . [22] [23]
Sesgo inducido
La litografía de sonda de barrido inducida por sesgo (b-SPL) utiliza los campos eléctricos elevados creados en el vértice de la punta de una sonda cuando se aplican voltajes entre la punta y la muestra para facilitar y limitar una variedad de reacciones químicas para descomponer gases [24] o líquidos [ 2] [25] para depositar y cultivar materiales localmente en las superficies.
Inducida por corriente
En la litografía de sonda de barrido inducida por corriente (c-SPL) además de los altos campos eléctricos de b-SPL, también se utiliza una corriente de electrones enfocada que emana de la punta de SPM para crear nanopatrones, por ejemplo, en polímeros [26] y vidrios moleculares. [27]
Magnético
Se han desarrollado varias técnicas de sonda de exploración para escribir patrones de magnetización en estructuras ferromagnéticas que a menudo se describen como técnicas SPL magnéticas. La litografía con sonda de barrido magnética asistida térmicamente (tam-SPL) [28] funciona empleando una sonda de barrido calentable para calentar y enfriar localmente las regiones de una capa ferromagnética polarizada por intercambio en presencia de un campo magnético externo. Esto provoca un cambio en el bucle de histéresis de las regiones expuestas, fijando la magnetización en una orientación diferente en comparación con las regiones no expuestas. Las regiones ancladas se vuelven estables incluso en presencia de campos externos después del enfriamiento, lo que permite escribir nanopatrones arbitrarios en la magnetización de la capa ferromagnética.
En matrices de nanoislas ferromagnéticas interactuantes, como el hielo de espín artificial , se han utilizado técnicas de sonda de barrido para escribir patrones magnéticos arbitrarios invirtiendo localmente la magnetización de islas individuales. La escritura magnética dirigida por defectos topológicos (TMW) [29] utiliza el campo dipolar de una sonda de exploración magnetizada para inducir defectos topológicos en el campo de magnetización de islas ferromagnéticas individuales. Estos defectos topológicos interactúan con los bordes de la isla y se aniquilan, dejando la magnetización invertida. Otra forma de escribir tales patrones magnéticos es la creación de patrones de microscopía de fuerza magnética asistida por campo, [30] donde se aplica un campo magnético externo un poco por debajo del campo de conmutación de las nano-islas y se usa una sonda de exploración magnetizada para aumentar localmente la intensidad del campo. por encima de lo necesario para invertir la magnetización de las islas seleccionadas.
En los sistemas magnéticos donde las interacciones interfaciales Dzyaloshinskii-Moriya estabilizan las texturas magnéticas conocidas como skyrmions magnéticos , la nanolitografía magnética con sonda de exploración se ha empleado para la escritura directa de skyrmions y celosías de skyrmion. [31] [32]
Comparación con otras técnicas litográficas
Al ser una tecnología en serie, la SPL es intrínsecamente más lenta que, por ejemplo, la fotolitografía o la litografía por nanoimpresión , mientras que la paralelización requerida para la fabricación en masa se considera un gran esfuerzo de ingeniería de sistemas ( ver también Memoria de milpiés ). En cuanto a la resolución, los métodos SPL evitan el límite de difracción óptica debido al uso de sondas de barrido en comparación con los métodos fotolitográficos . Algunas sondas tienen capacidades de metrología in situ integradas, lo que permite el control de la retroalimentación durante el proceso de escritura. [33] SPL funciona en condiciones atmosféricas ambientales , sin la necesidad de vacío ultra alto ( UHV ), a diferencia de la litografía e-beam o EUV .
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