Trong bài đăng trên blog này, chúng ta sẽ khám phá khái niệm về các quy trình sản xuất nano—nền tảng của công nghệ nano—cũng như các phương pháp quy trình tiêu biểu và đặc điểm của từng công nghệ.
Hãy xem xét một hình lập phương. Khi chiều dài của một cạnh giảm đi, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng theo cấp số mũ, và trong thế giới vi mô, nhiều hiện tượng xuất hiện mà không quan sát được trong thế giới vĩ mô. Để nghiên cứu những đặc điểm này, các kỹ thuật quan sát có độ chính xác cao là rất cần thiết. Trước đây, do những hạn chế của kính hiển vi quang học, chỉ có thể phân tích các cấu trúc ở thang đo micromet. Tuy nhiên, với những tiến bộ trong khoa học và công nghệ - bao gồm cả kính hiển vi điện tử - việc quan sát các cấu trúc nhỏ đến nanomet đã trở nên khả thi, dẫn đến các nghiên cứu tích cực trong lĩnh vực này. Hiện nay, các nghiên cứu đang được tiến hành trong nhiều lĩnh vực - như điện tử và công nghệ thông tin và truyền thông, công nghệ sinh học, môi trường và năng lượng, quốc phòng và hàng không vũ trụ - để khai thác các đặc điểm của thế giới vi mô.
Công nghệ chế tạo nano (Nanofab) thường đề cập đến tất cả các quy trình liên quan đến sản xuất hàng loạt các cấu trúc có kích thước từ 1 nm đến 100 nm. Việc chế tạo các cấu trúc nano như vậy đòi hỏi một phương pháp khác so với các phương pháp truyền thống được sử dụng để xử lý các cấu trúc – chẳng hạn như ống – có chiều dài từ micromet trở lên. Vì lý do này, công nghệ chế tạo nano đã khẳng định vị thế là một công nghệ nền tảng cốt lõi của công nghệ nano, bao phủ phạm vi kích thước xấp xỉ 1–100 nm. Mục tiêu cuối cùng của công nghệ chế tạo nano là sản xuất hàng loạt các cấu trúc nano mong muốn một cách dễ dàng và tiết kiệm.
Các quy trình chế tạo nano được phát triển cho đến nay được phân loại rộng rãi thành phương pháp từ trên xuống và từ dưới lên. Phương pháp từ trên xuống bao gồm việc tinh chế dần dần các vật liệu khối để tạo ra các cấu trúc nano mong muốn; nó thể hiện sự phát triển chính xác hơn của các công nghệ chế tạo vi mô hiện có. Các ví dụ tiêu biểu bao gồm quang khắc và khắc mềm. Ngược lại, các phương pháp từ dưới lên là các công nghệ tạo ra các cấu trúc ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử dựa trên các quá trình hóa học. Lắng đọng hơi và tự lắp ráp là những quy trình từ dưới lên tiêu biểu.
Kỹ thuật quang khắc là một quy trình công nghệ nano tiêu biểu sử dụng polyme nhạy sáng (chất cản quang, PR), phản ứng với các bước sóng cụ thể như tia cực tím, để chuyển mẫu mặt nạ lên chất nền silicon. Thuật ngữ “quang khắc” bắt nguồn từ kỹ thuật in chữ nổi và đề cập đến phương pháp tạo ra các cấu trúc mong muốn bằng cách sử dụng mặt nạ. Ở đây, mặt nạ là một khuôn mẫu được sử dụng để tạo ra mẫu mong muốn trên chất nền. Trong quy trình này, độ phân giải—kích thước nhỏ nhất có thể đạt được trên chất nền—là một yếu tố quan trọng. Quang khắc dựa trên quang học gặp phải những hạn chế cơ bản về độ phân giải do hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Mặc dù hầu hết các chất bán dẫn hiện đang được sản xuất đều sử dụng phương pháp quang khắc này, nhưng những hạn chế của phương pháp truyền thống ngày càng trở nên rõ ràng khi mật độ tích hợp chất bán dẫn tiếp tục tăng; do đó, nhiều quy trình để thay thế hoặc bổ sung cho nó đang được nghiên cứu tích cực.
Công nghệ in thạch bản mềm là một quy trình từ trên xuống, cùng với công nghệ in thạch bản quang học, đang thu hút sự chú ý đáng kể. Tên gọi của nó xuất phát từ thực tế là khuôn dùng để tạo hình được làm bằng PDMS (polydimethylsiloxane), một vật liệu đàn hồi, thay vì các vật liệu cứng thông thường. PDMS được sử dụng làm khuôn có năng lượng bề mặt thấp và ổn định về mặt hóa học, do đó nó không dễ phản ứng với vật liệu mà hình cần được chuyển lên, và có thể dễ dàng tách ra sau khi chuyển. Hơn nữa, nó có khả năng thấm khí và ổn định nhiệt tuyệt vời, mang lại nhiều lợi thế trong quy trình, và được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu cấu trúc nano.
Phương pháp lắng đọng hơi là một quá trình tạo ra màng mỏng bằng cách nuôi cấy vật liệu mong muốn trên một chất nền. Nói một cách đơn giản, nó có thể được ví như quá trình tuyết tích tụ vào mùa đông. Các phương pháp lắng đọng hơi được phân loại rộng rãi thành lắng đọng hơi hóa học (CVD) và lắng đọng hơi vật lý (PVD). Trong lắng đọng hơi hóa học, vật liệu cần nuôi cấy trên chất nền được cung cấp ở trạng thái khí; vật liệu này sau đó khuếch tán đến bề mặt chất nền, nơi nó trải qua phản ứng hóa học để tạo thành một màng mỏng. Sau khi màng mỏng được hình thành, phần vật liệu còn lại tách ra khỏi chất nền và được thải trở lại trạng thái khí. Lắng đọng hơi vật lý liên quan đến việc cung cấp năng lượng cho vật liệu được sử dụng để tạo thành màng mỏng, tách các nguyên tử hoặc phân tử về mặt vật lý, và sau đó lắng đọng chúng lên chất nền. Phun xạ, một ví dụ điển hình, là một quá trình trong đó các hạt năng lượng cao va chạm với mục tiêu, khiến các nguyên tử hoặc phân tử bị bắn ra và lắng đọng lên chất nền.
Ngược lại, quá trình tự lắp ráp – khác với các quy trình đã giới thiệu trước đó – không liên quan đến việc định hình cấu trúc trực tiếp từ bên ngoài; thay vào đó, nó là một quá trình trong đó các thành phần tự lắp ráp với nhau dưới tác động của chính chúng để tạo thành một cấu trúc. Hiện tượng này cũng thường được quan sát thấy trong các quá trình sinh học như tổng hợp protein. Tuy nhiên, ở trình độ công nghệ hiện tại, so với các quy trình đã giới thiệu trước đó, vẫn còn những hạn chế trong việc tạo ra các cấu trúc mong muốn với độ chính xác cao và tỷ lệ lỗi thấp. Mặc dù vậy, nó được coi là một công nghệ quan trọng để chế tạo các cấu trúc nano ba chiều và để tạo ra các cấu trúc có khả năng tự phục hồi và tự sao chép, và được kỳ vọng sẽ đóng vai trò then chốt trong các quy trình chế tạo nano trong tương lai.
