В тази публикация в блога ще разгледаме концепцията за нанопроизводствените процеси – основата на нанотехнологиите – както и представителни методи на процеса и характеристиките на всяка технология.
Да разгледаме куб. С намаляването на дължината на единия ръб, съотношението повърхност към обем се увеличава експоненциално и в микроскопичния свят се появяват различни явления, които не се наблюдават в макроскопичния свят. За да се изучат тези характеристики, са необходими високопрецизни техники за наблюдение. В миналото, поради ограниченията на оптичните микроскопи, можеха да се анализират само структури в микрометров мащаб. С напредъка на науката и технологиите, включително електронните микроскопи, обаче стана възможно да се наблюдават структури с размери от нанометри, което доведе до активни изследвания в тази област. В момента се провеждат изследвания в различни области, като електроника и информационни и комуникационни технологии, биотехнологии, околна среда и енергетика, отбрана и аерокосмическа промишленост, за да се овладеят характеристиките на микроскопичния свят.
Нанофабрикацията (Nanofab) обикновено се отнася до всички процеси, свързани с масовото производство на структури с размери от 1 nm до 100 nm. Изработването на такива наномащабни структури изисква подход, различен от традиционните методи, използвани за обработка на структури – като тръби – с дължина от микрометри или повече. Поради тази причина, технологията за нанофабрикация се е утвърдила като основна технология на нанотехнологиите, обхващаща диапазона от приблизително 1–100 nm. Крайната цел на технологията за нанофабрикация е лесно и икономично масово производство на желаните наноструктури.
Разработените до момента процеси на нанопроизводство се категоризират най-общо в методи „отгоре надолу“ и „отдолу нагоре“. Методът „отгоре надолу“ включва прогресивно рафиниране на обемни материали за създаване на желаните наноструктури; той представлява по-прецизна еволюция на съществуващите технологии за микропроизводство. Представителни примери включват фотолитография и мека литография. За разлика от тях, методите „отдолу нагоре“ са технологии, които формират структури на атомно или молекулярно ниво въз основа на химични процеси. Отлагането от пари и самосглобяването са представителни процеси „отдолу нагоре“.
Фотолитографията е представителен нанотехнологичен процес, който използва фоточувствителен полимер (фоторезист, PR), който реагира на специфични дължини на вълните, като например ултравиолетова светлина, за да пренесе шаблон на маска върху силициев субстрат. Терминът „литография“ произхожда от печата с висок печат и се отнася до метод за формиране на желани структури с помощта на маска. Тук маската се отнася до шаблон, използван за формиране на желания шаблон върху субстрата. В този процес разделителната способност – най-малкият размер, който може да се реализира върху субстрата – е критичен фактор. Оптично базираната литография е изправена пред фундаментални ограничения в разделителната способност поради дифракцията на светлината. Въпреки че повечето полупроводници, които се произвеждат в момента, се произвеждат с помощта на този фотолитографски метод, ограниченията на конвенционалния подход стават все по-очевидни, тъй като плътността на интеграция на полупроводници продължава да нараства; следователно, активно се изследват различни процеси за неговата замяна или допълване.
Меката литография е процес „отгоре надолу“, който, наред с фотолитографията, привлича значително внимание. Името ѝ произлиза от факта, че матрицата, използвана за оформяне на шаблони, е направена от PDMS (полидиметилсилоксан), еластичен материал, а не от конвенционални твърди материали. PDMS, използван като матрица, има ниска повърхностна енергия и е химически стабилен, така че не реагира лесно с материала, върху който ще се пренесе шаблонът, и може лесно да се отдели след прехвърлянето. Освен това, той предлага отлична газопропускливост и термична стабилност, осигурявайки различни предимства на процеса, и се използва широко в лаборатории, изследващи наноструктури.
Отлагането от пари е процес, при който се образува тънък филм чрез отглеждане на желания материал върху субстрат. Казано по-просто, може да се сравни с процеса на натрупване на сняг през зимата. Методите за отлагане от пари се категоризират най-общо в химическо отлагане от пари (CVD) и физическо отлагане от пари (PVD). При химическото отлагане от пари материалът, който ще се отглежда върху субстрата, се подава в газообразно състояние; след това този материал дифундира към повърхността на субстрата, където претърпява химическа реакция, за да образува тънък филм. След като тънкият филм се образува, останалият материал се отделя от субстрата и се връща обратно в газообразно състояние. Физическото отлагане от пари включва прилагане на енергия към материала, използван за образуване на тънкия филм, физическо разделяне на атомите или молекулите и след това отлагането им върху субстрата. Разпрашването, представителен пример, е процес, при който високоенергийни частици се сблъскват с мишена, което води до изхвърляне и отлагане на атоми или молекули върху субстрата.
За разлика от това, самосглобяването – за разлика от процесите, въведени по-рано – не включва директно външно оформяне на структурата; по-скоро това е процес, при който компонентите се сглобяват под действието на собствените си сили, за да образуват структура. Това явление се наблюдава често и в биологични процеси, като например синтеза на протеини. Въпреки това, на сегашното ниво на технологиите, съществуват ограничения в сравнение с процесите, въведени по-рано, по отношение на реализирането на замислени структури с висока точност и нисък процент на дефекти. Въпреки това, то се счита за ключова технология за създаване на триизмерни наноструктури и за реализиране на структури, способни на самолечение и самовъзпроизвеждане, и се очаква да играе ключова роля в бъдещите процеси на нанопроизводство.
