या ब्लॉग पोस्टमध्ये, आपण नॅनोटेक्नॉलॉजीचा पाया असलेल्या नॅनोमॅन्युफॅक्चरिंग प्रक्रियांची संकल्पना, तसेच प्रातिनिधिक प्रक्रिया पद्धती आणि प्रत्येक तंत्रज्ञानाची वैशिष्ट्ये जाणून घेणार आहोत.
एका घनाकृतीचा विचार करा. जसजशी एका कडेची लांबी कमी होते, तसतसे पृष्ठभाग-ते-घनफळ गुणोत्तर घातांकी पद्धतीने वाढते आणि सूक्ष्म जगात अशा विविध घटना दिसून येतात, ज्या स्थूल जगात आढळत नाहीत. या वैशिष्ट्यांचा अभ्यास करण्यासाठी, अत्यंत अचूक निरीक्षण तंत्र आवश्यक आहे. पूर्वी, ऑप्टिकल सूक्ष्मदर्शकांच्या मर्यादांमुळे, केवळ मायक्रोमीटर स्तरावरील रचनांचेच विश्लेषण करता येत होते. तथापि, विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील प्रगतीमुळे—ज्यात इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकांचाही समावेश आहे—नॅनोमीटरइतक्या लहान रचनांचे निरीक्षण करणे शक्य झाले आहे, ज्यामुळे या क्षेत्रात सक्रिय संशोधन सुरू झाले आहे. सध्या, सूक्ष्म जगाच्या वैशिष्ट्यांचा उपयोग करून घेण्यासाठी इलेक्ट्रॉनिक्स आणि माहिती व दळणवळण तंत्रज्ञान, जैवतंत्रज्ञान, पर्यावरण आणि ऊर्जा, संरक्षण आणि अंतराळ यांसारख्या विविध क्षेत्रांमध्ये संशोधन सुरू आहे.
नॅनोफॅब्रिकेशन (नॅनोफॅब) म्हणजे सर्वसाधारणपणे १ नॅनोमीटर ते १०० नॅनोमीटर आकाराच्या संरचनांच्या मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादनाशी संबंधित सर्व प्रक्रिया. अशा नॅनोस्केल संरचना तयार करण्यासाठी, मायक्रोमीटर किंवा त्याहून अधिक लांबीच्या पाईप्ससारख्या संरचनांवर प्रक्रिया करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पारंपरिक पद्धतींपेक्षा वेगळ्या दृष्टिकोनाची आवश्यकता असते. याच कारणामुळे, नॅनोफॅब्रिकेशन तंत्रज्ञानाने नॅनोतंत्रज्ञानाचे एक मुख्य पायाभूत तंत्रज्ञान म्हणून स्वतःला स्थापित केले आहे, जे अंदाजे १-१०० नॅनोमीटरच्या श्रेणीला व्यापते. नॅनोफॅब्रिकेशन तंत्रज्ञानाचे अंतिम ध्येय म्हणजे इच्छित नॅनोसंरचनांचे मोठ्या प्रमाणावर, सहजपणे आणि किफायतशीरपणे उत्पादन करणे.
आजपर्यंत विकसित झालेल्या नॅनोफॅब्रिकेशन प्रक्रियांचे ढोबळमानाने टॉप-डाउन आणि बॉटम-अप पद्धतींमध्ये वर्गीकरण केले जाते. टॉप-डाउन पद्धतीमध्ये, इच्छित नॅनोसंरचना तयार करण्यासाठी स्थूल पदार्थांवर टप्प्याटप्प्याने प्रक्रिया केली जाते; ही पद्धत सध्याच्या मायक्रोफॅब्रिकेशन तंत्रज्ञानाची अधिक अचूक उत्क्रांती दर्शवते. फोटोलिथोग्राफी आणि सॉफ्ट लिथोग्राफी ही याची प्रातिनिधिक उदाहरणे आहेत. याउलट, बॉटम-अप पद्धती म्हणजे अशी तंत्रज्ञानं आहेत जी रासायनिक प्रक्रियांवर आधारित अणू किंवा रेणू स्तरावर संरचना तयार करतात. व्हेपर डिपॉझिशन आणि सेल्फ-असेम्बली ही बॉटम-अप प्रक्रियांची प्रातिनिधिक उदाहरणे आहेत.
फोटोलिथोग्राफी ही एक प्रातिनिधिक नॅनोटेक्नॉलॉजी प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये सिलिकॉन सब्सट्रेटवर मास्क पॅटर्न हस्तांतरित करण्यासाठी फोटोसेन्सिटिव्ह पॉलिमर (फोटोरेझिस्ट, पीआर) वापरला जातो. हा पॉलिमर अतिनील प्रकाशासारख्या विशिष्ट तरंगलांबींना प्रतिसाद देतो. 'लिथोग्राफी' हा शब्द लेटरप्रेस छपाईमधून आला आहे आणि तो मास्क वापरून इच्छित रचना तयार करण्याच्या पद्धतीला सूचित करतो. येथे, मास्क म्हणजे सब्सट्रेटवर इच्छित नमुना तयार करण्यासाठी वापरले जाणारे एक स्टेन्सिल. या प्रक्रियेत, रिझोल्यूशन—म्हणजे सब्सट्रेटवर साकारता येणारा सर्वात लहान आकार—हा एक महत्त्वाचा घटक असतो. प्रकाशाच्या विवर्तनामुळे ऑप्टिकली आधारित लिथोग्राफीला रिझोल्यूशनच्या बाबतीत मूलभूत मर्यादा येतात. जरी सध्या उत्पादनात असलेले बहुतेक सेमीकंडक्टर या फोटोलिथोग्राफी पद्धतीचा वापर करून तयार केले जात असले तरी, सेमीकंडक्टर इंटिग्रेशनची घनता वाढत असल्याने पारंपरिक पद्धतीच्या मर्यादा अधिकाधिक स्पष्ट होत आहेत; परिणामी, या पद्धतीला पर्याय म्हणून किंवा तिला पूरक म्हणून विविध प्रक्रियांचा सक्रियपणे शोध घेतला जात आहे.
सॉफ्ट लिथोग्राफी ही एक टॉप-डाउन प्रक्रिया आहे, जी फोटोलिथोग्राफीसोबतच लक्षणीय लक्ष वेधून घेत आहे. या प्रक्रियेचे नाव या वस्तुस्थितीवरून आले आहे की, नमुने (पॅटर्न्स) तयार करण्यासाठी वापरला जाणारा साचा पारंपरिक कडक पदार्थांऐवजी पीडीएमएस (पॉलिडायमिथाइलसिलोक्सेन) या लवचिक पदार्थापासून बनलेला असतो. साचा म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या पीडीएमएसची पृष्ठ ऊर्जा कमी असते आणि ते रासायनिक दृष्ट्या स्थिर असते, त्यामुळे ज्या पदार्थावर नमुना हस्तांतरित करायचा आहे त्याच्याशी ते सहजपणे अभिक्रिया करत नाही आणि हस्तांतरणानंतर ते सहजपणे वेगळे केले जाऊ शकते. याव्यतिरिक्त, ते उत्कृष्ट वायू पारगम्यता आणि औष्णिक स्थिरता प्रदान करते, ज्यामुळे प्रक्रियेचे विविध फायदे मिळतात आणि नॅनोस्ट्रक्चर्सवर संशोधन करणाऱ्या प्रयोगशाळांमध्ये याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.
वाष्प निक्षेपण (Vapor deposition) ही एक प्रक्रिया आहे, ज्यामध्ये सब्सट्रेटवर (substrate) इच्छित पदार्थ वाढवून एक पातळ थर तयार केला जातो. सोप्या भाषेत सांगायचे झाल्यास, याची तुलना हिवाळ्यात बर्फ साचण्याच्या प्रक्रियेशी करता येते. वाष्प निक्षेपण पद्धतींचे ढोबळमानाने रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) आणि भौतिक वाष्प निक्षेपण (PVD) असे वर्गीकरण केले जाते. रासायनिक वाष्प निक्षेपणामध्ये, सब्सट्रेटवर वाढवायचा असलेला पदार्थ वायू अवस्थेत पुरवला जातो; हा पदार्थ नंतर सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर पसरतो, जिथे रासायनिक अभिक्रिया होऊन एक पातळ थर तयार होतो. पातळ थर तयार झाल्यावर, उरलेला पदार्थ सब्सट्रेटपासून वेगळा होतो आणि पुन्हा वायू अवस्थेत बाहेर टाकला जातो. भौतिक वाष्प निक्षेपणामध्ये, पातळ थर तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पदार्थावर ऊर्जा लागू केली जाते, ज्यामुळे अणू किंवा रेणू भौतिकरित्या वेगळे होतात आणि नंतर ते सब्सट्रेटवर जमा केले जातात. स्पटरिंग (Sputtering) हे याचे एक प्रातिनिधिक उदाहरण आहे, ही एक अशी प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये उच्च-ऊर्जा कण एका लक्ष्यावर (target) आदळतात, ज्यामुळे अणू किंवा रेणू बाहेर फेकले जातात आणि सब्सट्रेटवर जमा होतात.
याउलट, स्व-संयोजनामध्ये—पूर्वी सादर केलेल्या प्रक्रियांच्या विपरीत—संरचनेला थेट बाह्य आकार दिला जात नाही; उलट, ही एक अशी प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये घटक स्वतःच्या बलाने एकत्र येऊन एक संरचना तयार करतात. ही घटना प्रथिन संश्लेषणासारख्या जैविक प्रक्रियांमध्येही सामान्यतः दिसून येते. तथापि, तंत्रज्ञानाच्या सध्याच्या पातळीवर, पूर्वी सादर केलेल्या प्रक्रियांच्या तुलनेत, उच्च अचूकतेने आणि कमी दोष दरांसह अपेक्षित संरचना साकारण्याच्या बाबतीत मर्यादा आहेत. तरीही, त्रिमितीय नॅनोसंरचना तयार करण्यासाठी आणि स्व-उपचार व स्व-प्रतिकृती करण्यास सक्षम असलेल्या संरचना साकारण्यासाठी हे एक महत्त्वपूर्ण तंत्रज्ञान मानले जाते, आणि भविष्यातील नॅनोफॅब्रिकेशन प्रक्रियांमध्ये ते एक निर्णायक भूमिका बजावेल अशी अपेक्षा आहे.
