Bu blog yazısında, nanoteknolojinin temeli olan nanomanufacturing süreçleri kavramını, temsili süreç yöntemlerini ve her bir teknolojinin özelliklerini inceleyeceğiz.
Bir küpü ele alalım. Bir kenarının uzunluğu azaldıkça, yüzey-hacim oranı üstel olarak artar ve mikroskobik dünyada, makroskobik dünyada gözlemlenmeyen çeşitli olaylar ortaya çıkar. Bu özellikleri incelemek için son derece hassas gözlem teknikleri şarttır. Geçmişte, optik mikroskopların sınırlamaları nedeniyle, yalnızca mikrometre ölçeğindeki yapılar analiz edilebiliyordu. Bununla birlikte, elektron mikroskopları da dahil olmak üzere bilim ve teknolojideki gelişmelerle birlikte, nanometre kadar küçük yapıları gözlemlemek mümkün hale geldi ve bu alanda aktif araştırmalar yürütülüyor. Şu anda, elektronik ve bilgi ve iletişim teknolojisi, biyoteknoloji, çevre ve enerji, savunma ve havacılık gibi çeşitli alanlarda mikroskobik dünyanın özelliklerinden yararlanmak için araştırmalar devam etmektedir.
Nanofabrikasyon (Nanofab), genel olarak 1 nm ile 100 nm arasında değişen yapıların seri üretiminde yer alan tüm süreçleri ifade eder. Bu tür nano ölçekli yapıların üretimi, mikrometre veya daha uzun uzunluktaki boru gibi yapıların işlenmesinde kullanılan geleneksel yöntemlerden farklı bir yaklaşım gerektirir. Bu nedenle, nanofabrikasyon teknolojisi, yaklaşık 1-100 nm aralığını kapsayan nanoteknolojinin temel bir teknolojisi olarak kendini kanıtlamıştır. Nanofabrikasyon teknolojisinin nihai amacı, istenen nanoyapıları kolay ve ekonomik bir şekilde seri üretmektir.
Bugüne kadar geliştirilen nanoyapım süreçleri genel olarak yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yöntemler olarak sınıflandırılır. Yukarıdan aşağıya yöntem, istenen nanoyapıları oluşturmak için yığın malzemelerin kademeli olarak rafine edilmesini içerir; mevcut mikroyapım teknolojilerinin daha hassas bir evrimini temsil eder. Temsili örnekler arasında fotolitografi ve yumuşak litografi yer alır. Buna karşılık, aşağıdan yukarıya yöntemler, kimyasal süreçlere dayalı olarak atomik veya moleküler düzeyde yapılar oluşturan teknolojilerdir. Buhar biriktirme ve kendi kendine birleşme, temsili aşağıdan yukarıya süreçlerdir.
Fotolitografi, ultraviyole ışık gibi belirli dalga boylarına tepki veren ışığa duyarlı bir polimer (fotorezist, PR) kullanarak bir maske desenini silikon bir alt tabakaya aktaran temsili bir nanoteknoloji işlemidir. "Litografi" terimi, tipo baskıdan gelir ve bir maske kullanarak istenen yapıları oluşturma yöntemini ifade eder. Burada maske, alt tabaka üzerinde istenen deseni oluşturmak için kullanılan bir şablonu ifade eder. Bu işlemde, çözünürlük—alt tabaka üzerinde gerçekleştirilebilecek en küçük boyut—kritik bir faktördür. Optik tabanlı litografi, ışığın kırınımı nedeniyle çözünürlükte temel sınırlamalara sahiptir. Şu anda üretimde olan çoğu yarı iletken bu fotolitografi yöntemi kullanılarak üretilse de, yarı iletken entegrasyon yoğunluğu artmaya devam ettikçe geleneksel yaklaşımın sınırlamaları giderek daha belirgin hale gelmektedir; sonuç olarak, onu değiştirmek veya tamamlamak için çeşitli süreçler aktif olarak araştırılmaktadır.
Yumuşak litografi, fotolitografi ile birlikte önemli ilgi gören, yukarıdan aşağıya doğru işleyen bir süreçtir. Adını, desen oluşturmak için kullanılan kalıbın geleneksel sert malzemeler yerine elastik bir malzeme olan PDMS'den (polidimetilsiloksan) yapılmış olmasından alır. Kalıp olarak kullanılan PDMS düşük yüzey enerjisine sahiptir ve kimyasal olarak kararlıdır, bu nedenle desenin aktarılacağı malzeme ile kolayca reaksiyona girmez ve aktarımdan sonra kolayca ayrılabilir. Ayrıca, mükemmel gaz geçirgenliği ve termal kararlılık sunarak çeşitli işlem avantajları sağlar ve nanoyapılar üzerinde araştırma yapan laboratuvarlarda yaygın olarak kullanılır.
Buhar biriktirme, istenen malzemenin bir alt tabaka üzerine büyütülmesiyle ince bir film oluşturan bir işlemdir. Basitçe ifade etmek gerekirse, kışın karın birikmesi sürecine benzetilebilir. Buhar biriktirme yöntemleri genel olarak kimyasal buhar biriktirme (CVD) ve fiziksel buhar biriktirme (PVD) olarak sınıflandırılır. Kimyasal buhar biriktirmede, alt tabaka üzerine büyütülecek malzeme gaz halinde verilir; bu malzeme daha sonra alt tabaka yüzeyine yayılır ve burada ince bir film oluşturmak için kimyasal bir reaksiyona girer. İnce film oluştuktan sonra, kalan malzeme alt tabakadan ayrılır ve tekrar gaz haline geri döner. Fiziksel buhar biriktirme, ince filmi oluşturmak için kullanılan malzemeye enerji uygulanmasını, atomların veya moleküllerin fiziksel olarak ayrılmasını ve ardından alt tabaka üzerine biriktirilmesini içerir. Temsili bir örnek olan püskürtme, yüksek enerjili parçacıkların bir hedefle çarpışması ve atomların veya moleküllerin fırlatılıp alt tabaka üzerine biriktirilmesine neden olan bir işlemdir.
Buna karşılık, kendiliğinden birleşme –daha önce tanıtılan süreçlerden farklı olarak– yapının doğrudan dıştan şekillendirilmesini içermez; daha ziyade, bileşenlerin kendi kuvvetleri altında bir araya gelerek bir yapı oluşturduğu bir süreçtir. Bu fenomen, protein sentezi gibi biyolojik süreçlerde de yaygın olarak gözlemlenir. Bununla birlikte, mevcut teknoloji seviyesinde, yüksek doğruluk ve düşük hata oranlarıyla amaçlanan yapıları gerçekleştirme açısından daha önce tanıtılan süreçlere kıyasla sınırlamalar vardır. Yine de, üç boyutlu nanoyapıların üretimi ve kendi kendini onarabilen ve kendi kendini kopyalayabilen yapıların gerçekleştirilmesi için çok önemli bir teknoloji olarak kabul edilir ve gelecekteki nanoyapım süreçlerinde önemli bir rol oynaması beklenir.
