JP2018526237A - ナノスケール及びマイクロスケール物体を三次元構造にアセンブリする方法 - Google Patents
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Abstract
マイクロ/ナノスケール物体を格子又はトラス構造にアセンブリする方法。
Description
[関連出願の相互参照]
本願は、2015年6月8日に出願された「METHOD OF ASSEMBLING NANOSCALE AND MICROSCALE OBJECTES」との米国仮出願第62/172315号の優先権を主張し、その全体はあらゆる目的のため参照として本願に組み込まれる。
本願は、2015年6月8日に出願された「METHOD OF ASSEMBLING NANOSCALE AND MICROSCALE OBJECTES」との米国仮出願第62/172315号の優先権を主張し、その全体はあらゆる目的のため参照として本願に組み込まれる。
最近の物質科学の一つの目標として、マイクロメートル又はナノメートルのオーダの寸法を有するマイクロスケール要素からマクロスケール構造を生成することが挙げられる。このような構造は、従来の製造方法を用いては得ることができない新規の機械的特性、電気的特性及び光学的特性を有するように調整され得る。例えば半導体産業で用いられているような従来のマイクロスケール製造プロセスは、マイクロスケール要素からマクロスケール構造を製造することができない。例えば、従来の半導体製造設備及びプロセスは、略50:1や略100:1よりもはるかに大きなアスペクト比を有するマイクロスケール要素を製造することができない。従来のアディティブ・マニュファクチャリング設備及びプロセス(「3Dプリンティング」と称されることも多い)は、マイクロメートル又はナノメートルのオーダの寸法を有する物体を生成することができず、また、マイクロスケール要素からマクロスケール構造を高速生成することができない。
本開示の一態様によると、マイクロ/ナノスケール原料要素を三次元構造にアセンブリする方法が提供される。本方法は、基板の表面上に第一機能性部分(functional moiety)のパターンを形成することと、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において第一機能性部分と相補的な第二機能性部分で機能化され、且つ第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第三機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第一懸濁液に基板の表面を接触させることと、第一懸濁液中の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を基板の表面に対して整列させることと、基板の表面上に第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを形成するように第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することとを備える。本方法は、マイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第一部分上において第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化され、且つマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分上において第五機能性部分で機能化されたマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素を含む第二懸濁液に基板の表面上の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを接触させることと、第二懸濁液中のマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第一部分を第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分と整列させることと、基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の第二メソ構造を形成するように第四機能性部分を第三機能性部分に結合させることを促進することとを更に備える。本方法は、第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において第五機能性部分と相補的な第六機能性部分で機能化され、且つ第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第七機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液に基板の表面上のマイクロ/ナノスケール原料要素の第二メソ構造パターンを接触させることと、第三懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組のマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分に対して整列させることと、第三懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組のマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分に対して整列させることと、基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を形成するように第六及び第七機能性部分を第五機能性部分に結合させることを促進することとを更に備える。
一部実施形態では、第四機能性部分を第三機能性部分に結合させることを促進すること、及び、第六及び第七機能性部分を第五機能性部分に結合させることを促進することは、第四、第五、第六、第七機能性部分のうち少なくとも一つの一部を未結合のままにすることを含む。
一部実施形態では、本方法は、第三マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を接触させることと、第三懸濁液中の第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列させることと、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロナノスケール原料要素の第三部分に結合させることを促進することとを更に備える。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分は、相補的なクリック化学基によって第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合される。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分は、相補的なクリック化学基によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分は、相補的なDNA鎖によって第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合される。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分は、相補的なDNA鎖によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることは、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることは、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることは、第三懸濁液中の流体の流れを用いて、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることは、第三懸濁液中の流体の流れを用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることは、磁場を用いて、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることは、磁場を用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることは、光トラップを用いて、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることは、光トラップを用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、本方法は、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を含む第四懸濁液にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を接触させることと、第四懸濁液中のナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の第一部分を第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列させることと、相補的な化学基、例えば相補的なクリック化学基及び/又は相補的なDNA鎖によって、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合させることとを更に備える。
一部実施形態では、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち一つ以上は、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を含む。
一部実施形態では、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上は、炭素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子、ホウ素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子、これらの組み合わせのうち一つを備える。
一部実施形態では、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上は、相補的なクリック化学基によって、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合される。
一部実施形態では、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上は、相補的なクリック化学基によって、他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される。
一部実施形態では、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上は、相補的なDNA鎖によって、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合される。
一部実施形態では、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上は、相補的なDNA鎖によって、他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される。
一部実施形態では、炭素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の第一部分を第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列及び位置決めすることは、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の第一部分を第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、炭素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることは、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む。
一部実施形態では、本方法は更に、(i)第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を基板に結合させることと、(ii)第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分に結合させることと、(iii)第二組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合させることと、(iv)第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合させることと、(v)ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合させること又はナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を他のマイクロ/ナノスケール原料要素に結合させることとのうち二つ以上を同時に行う。
一部実施形態では、第三機能性部分は第一機能性部分と同じである。
一部実施形態では、第四機能性部分は第二機能性部分と同じである。
一部実施形態では、第三機能性部分は第二機能性部分と同じである。
一部実施形態では、第四機能性部分は第一機能性部分と同じである。
一部実施形態では、第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することは、第二機能性部分及び/又は第一機能性部分に熱エネルギーを印加すること、第二機能性部分及び/又は第一機能性部分に放射線を印加すること、第二機能性部分及び/又は第一機能性部分を化学触媒に晒すこと、及び/又は、第一機能性部分と第二機能性部分との間の結合を促進するように第一懸濁液のpHを変化させることのうち一つによって、第二機能性部分と第一機能性部分との間の結合を生じさせることを含む。
一部実施形態では、相補的な機能性部分間の結合を促進することは、相補的な機能性部分に熱エネルギーを印加すること、相補的な機能性部分に放射線を印加すること、相補的な機能性部分を化学触媒に晒すこと、及び/又は、相補的な機能性部分が浸漬される懸濁液のpHを変化させることとのうち一つによって、相補的な機能性部分間の結合を生じさせることを含む。
一部実施形態では、本方法は、基板の表面上に第一機能性部分のパターンを形成するようにリンカー分子を有する第一機能性部分を基板の表面上に結合された接着要素に結合させることを更に備える。
一部実施形態では、接着要素は、金属とシリコンと二酸化シリコンとのうち一つ以上を備える。
一部実施形態では、本方法は、リンカー分子を有する第二機能性部分を第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分に結合した接着要素に結合させることを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、リンカー分子を有する機能性部分をマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合した接着要素に結合させることを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、複数の第二マイクロ/ナノスケール原料要素を各第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合させることを促進することを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、複数のマイクロ/ナノスケール原料要素を単一の他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合させることを促進することを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素を基板の表面上の第一機能性部分を含む個々の結合サイトに結合させることを促進することを更に備える。
一部実施形態では、第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することは、第一クリック化学基を相補的なクリック化学基に結合させることを促進することを含む。
一部実施形態では、第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することは、第一DNA鎖を相補的なDNA鎖に結合させることを促進することを含む。
一部実施形態では、本方法は、追加の結合機構によって第一マイクロ/ナノスケール原料要素を基板の表面に結合させることを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、ブロックコポリマーの領域の逐次浸透合成によって、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、ブロックコポリマーの領域の逐次浸透合成によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを備える方法によって、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することを更に備え、その方法は、多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するようにブロックコポリマーをアニーリングすることと、ポリマー領域のうち一つを除去することと、残留しているポリマー領域を多層基板の上層中までエッチングすることと、多層基板の上層のエッチングされた部分を多層基板の第二層から分離することによって、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを得ることとを備える。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを備える方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを更に備え、その方法は、多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するようにブロックコポリマーをアニーリングすることと、ポリマー領域のうち一つを除去することと、残留しているポリマー領域を多層基板の上層中までエッチングすることと、多層基板の上層のエッチングされた部分を多層基板の第二層から分離することによって、マイクロ/ナノスケール原料要素を得ることとを備える。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを備える方法によって、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することを更に備え、その方法は、多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するようにブロックコポリマーをアニーリングすることと、逐次浸透合成を用いてポリマー領域のうち一つを無機物質に変換することと、ポリマー領域のうち一つを除去することと、無機物質をエッチングマスクとして用いて、ポリマー領域のうち他の一つを多層基板の上層中までエッチングすることと、多層基板の上層のエッチングされた部分を多層基板の第二層から分離することによって、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを得ることとを備える。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを備える方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することを更に備え、その方法は、多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するようにブロックコポリマーをアニーリングすることと、逐次浸透合成を用いてポリマー領域のうち一つを無機物質に変換することと、無機物質をエッチングマスクとして用いて、ポリマー領域のうち他の一つを多層基板の上層中までエッチングすることと、多層基板の上層のエッチングされた部分を多層基板の第二層から分離することによって、マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを得ることとを備える。
一部実施形態では、本方法は、多層基板の上層のエッチングされた部分を多層基板の第二層から分離することの前に、マイクロ/ナノスケール原料要素の上にフォトレジストの層を堆積させ、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を露出させるようにフォトレジストの層をパターン化することと、マイクロ/ナノスケール原料要素の露出された部分をエッチングすることによって、マイクロ/ナノスケール原料要素の長さを定めることと、フォトレジスト中に埋め込まれたマイクロ/ナノスケール原料要素の露出された端部を機能化させることと、フォトレジストを除去することとを更に備える。
一部実施形態では、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することは、略50nm未満の少なくとも一つの寸法を有する少なくとも一つの第一マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを含む。
一部実施形態では、第一、第二、第三マイクロ/ナノスケール原料要素のうち少なくとも一つを形成することは、略5nm未満の少なくとも一つの寸法を有する少なくとも一つの第一マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することは、略5nmから略50nmまでの間の少なくとも一つの寸法を有するマイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを含む。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを含む方法によって、第一マイクロ/ナノスケール原料要素を第二機能性部分で機能化させることを更に備え、その方法は、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上に第一結合物質を堆積させることと、第一結合物質に親和性を有する化学基を含む多官能性クリック化学物質に第一結合物質を晒すこととを含む。
一部実施形態では、本方法は、以下のことを含む方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を機能性部分で機能化させることを更に備え、その方法は、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に第一結合物質を堆積させることと、第一結合物質に親和性を有する化学基を含む多官能性クリック化学物質に第一結合物質を晒すこととを含む。
一部実施形態では、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上に第一結合物質を堆積させることは、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上に金とシリコンと二酸化シリコンとのうち一つを堆積させることを含む。
一部実施形態では、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に第一結合物質を堆積させることは、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に金とシリコンと二酸化シリコンとのうち一つを堆積させることを含む。
一部実施形態では、多官能性クリック化学物質に第一結合物質を晒すことは、第一結合物質に親和性を有する化学基と、第一結合物質に親和性を有する化学基に結合した中間化学基と、第二結合物質に親和性を有する更なる化学基とを含む化学物質に第一結合物質を晒すことを含む。
一部実施形態では、中間化学基はポリマー鎖を備える。
他の態様によると、マイクロ/ナノスケール物体を三次元格子又はトラス構造にアセンブリする方法が提供される。本方法は、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において第一機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素と、リンカー要素の第一部分上の第一機能性部分と相補的な第二機能性部分及びリンカー要素の第二部分上の第三機能性部分を含むリンカー要素とを含む第一懸濁液を形成することと、第一懸濁液中の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分をリンカー要素の第一部分に対して整列させることと、リンカー要素を第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分に結合させるように第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することと、第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分及び第二部分上において第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第二懸濁液に第一マイクロ/ナノスケール原料要素及びリンカー要素を接触させることと、第二懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組のリンカー要素の第二部分に対して整列させることと、第二懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組のリンカー要素の第二部分に対して整列させることと、三次元格子又はトラス構造を形成するように第四機能性部分を第三機能性部分に結合させることを促進することとを備える。
一部実施形態では、本方法は、第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において、リンカー要素のうち少なくとも一部の第三部分上の第六機能性部分と相補的な第五機能性部分で機能化された第三マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液に三次元格子又はトラス構造を接触させることと、第三懸濁液中の第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分をリンカー要素のうち少なくとも一部の第三部分に対して整列させることと、第五機能性部分を第六機能性部分に結合させることを促進することとを更に備える。
一部実施形態では、本方法は、第一、第二、及び第三マイクロ/ナノスケール原料要素をオーゼティックトラス構造に整列させることを備える。
他の態様によると、マイクロ/ナノスケール物体の三次元格子又はトラス構造体が提供される。本構造体は、リンカー要素の第一部分に結合した第一部分を有する複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素と、リンカー要素の第二部分に結合した第一部分とリンカー要素の第三部分に結合した第二部分とを有する複数の第二マイクロ/ナノスケール原料要素とを備える。
一部実施形態では、複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分は、クリック化学結合によってリンカー要素の第一部分に結合される。
一部実施形態では、第一マイクロ/ナノスケール原料要素と第二マイクロ/ナノスケール原料要素とのうち一方の少なくとも一部は、少なくとも略20:1の長さ:幅アスペクト比を有する。
一部実施形態では、本構造体は、各第一マイクロ/ナノスケール原料要素に結合した複数の第二マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える。
一部実施形態では、本構造体は、リンカー要素の第四部分に結合した第一部分を有する複数の第三マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える。
一部実施形態では、複数の第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分は、クリック化学結合によってリンカー要素の第四部分に結合される。
一部実施形態では、第一、第二、及び第三マイクロ/ナノスケール原料要素はオーゼティックトラスに配置される。
一部実施形態では、本構造体は、各第二マイクロ/ナノスケール原料要素に結合した複数の第三マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える。
他の態様によると、マイクロ/ナノスケール物体を三次元構造にアセンブリする方法が提供される。本方法は、基板の表面上に第一機能性部分のパターンを形成することと、第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において第一機能性部分と相補的な第二機能性部分で機能化され、且つ第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第三機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第一懸濁液に基板の表面を接触させることと、第一懸濁液中の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を基板の表面に対して整列させることと、基板の表面上に第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを形成するように第二機能性部分を第一機能性部分に結合させることを促進することと、第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分及び第二部分上において第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第二懸濁液に基板の表面上の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを接触させることと、第二懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分と整列させることと、第二懸濁液中の第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分と整列させることと、基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を形成するように第四機能性部分を第三機能性部分に結合させることを促進することとを備える。
一部実施形態では、第四機能性部分を第三機能性部分に結合させることを促進することは、第四機能性部分をリンカー要素に結合させることを促進することと、リンカー要素を第三機能性部分に結合させることを促進することとを含む。
添付図面は縮尺どおりではない。図面において、複数の図に示される同一又はほぼ同一の構成要素は同様の番号で表される。明確性のため、全ての構成要素について全ての図面において番号が付されてはいない。
本開示の態様及び実施形態は、以下の説明で与えられる又は図面に示される構成要素の構成や配置の詳細に限られるものではない。本開示の態様及び実施形態は、多様な方法で実現又は実施可能である。また、本願で用いられる用語は、説明目的のものであり、限定的なものではない。「含む」、「備える」、「有する」、「含有する」やそのバリエーションの使用は、その記載後に挙げられている物、その均等物、更には追加物を含むことを意味する。
本開示の態様及び実施形態は、一般的には、マイクロメートル又はナノメートルのオーダの寸法を有するマイクロスケール又はナノスケール要素から新規のマクロスケール構造を形成することを対象とする。本開示のマクロスケール構造は、従来の製造方法を用いては得ることができない機械的特性、電気的特性、熱的特性及び/又は光学的特性を有する。本開示の態様及び実施形態は、指向性流体アセンブリ、「クリック」ケミストリー及び/又はDNA選択性アセンブリ法の組み合わせを用いてマイクロスケール又はナノスケール要素からマクロスケール物体を形成することを含む。「マイクロスケール要素」との用語が本願では用いられているが、本願で説明される原料要素や他の構造は、1マイクロメートル以上の寸法を有するものに限定されないことを理解されたい。「マイクロスケール要素」との用語は、1マイクロメートルよりも小さな、例えば1ナノメートルよりも小さな特徴寸法(長さ、幅等)を有する原料要素や他の構造も含む。「マイクロスケール要素」との用語及びそのバリエーションは、「マイクロ/ナノスケール要素」との用語及びそのバリエーションと同義に用いられる。
[指向性流体アセンブリ(DFA)]
指向性流体アセンブリ(DFA,directed fluidic assembly)は、異なる複数の方法を互いに組み合わせることによって構造を作ることを可能にするアセンブリ方法であり、プレーナ型マイクロ/ナノ製造、マイクロ機械加工、3Dプリンティング、他の製造法と組み合わせ可能である。DFAは、基板上に又は他の原料要素に均一又は不均一な原料を制御された位置及び向きで高速配置することを提供する。DFAの利点は、個々のマイクロ/ナノ構成要素を製造するのに最適な方法を用い、それらを永続的に結合された機能的な機械的、電気的、熱的、流体的及び/又は熱的システムにアセンブリすることができる点である。一部実施形態では、DFAアセンブリは高速であり、即ち、2分間のアセンブリ時間での100mmウェーハにわたる5μmの原料間隔は、毎秒2.5百万個の結合物体の割合に相当する。より小型の原料は更に高速でアセンブリされる。
指向性流体アセンブリ(DFA,directed fluidic assembly)は、異なる複数の方法を互いに組み合わせることによって構造を作ることを可能にするアセンブリ方法であり、プレーナ型マイクロ/ナノ製造、マイクロ機械加工、3Dプリンティング、他の製造法と組み合わせ可能である。DFAは、基板上に又は他の原料要素に均一又は不均一な原料を制御された位置及び向きで高速配置することを提供する。DFAの利点は、個々のマイクロ/ナノ構成要素を製造するのに最適な方法を用い、それらを永続的に結合された機能的な機械的、電気的、熱的、流体的及び/又は熱的システムにアセンブリすることができる点である。一部実施形態では、DFAアセンブリは高速であり、即ち、2分間のアセンブリ時間での100mmウェーハにわたる5μmの原料間隔は、毎秒2.5百万個の結合物体の割合に相当する。より小型の原料は更に高速でアセンブリされる。
本開示の態様及び実施形態は、サブミクロンから数十マイクロスケールの物体(原料)をミリメートルスケール以上の構造(マクロスケール構造)に指向性流体アセンブリするためのDFA法を用いる。一部実施形態では、高アスペクト比でマイクロ/ナノ製造された同じ又は異なる長さスケールの複数の原料構造を、基板平面において製造し、リリースし、DFAによって基板に垂直に高いアスペクト比を有する多重スケール構造、三次元格子、又はトラス構造に組み合わせる。一部実施形態では、原料要素に対する結合及び原料要素同士の結合は永続的であり、アセンブリされるシステムの要求に応じて、電気伝導性、熱伝導性及び/又は光透過性を与える。
一部実施形態では、マイクロスケール要素を大きな複合構造にアセンブリするためのDFA法は、製造中にマイクロスケール要素を方向決め及び位置決めするために、誘電泳動、電気泳動、指向性流体流、対流、毛細管力、磁場、拡散、光トラップ、又はこれらの組み合わせを利用する方法を含む。粒子及び他のマイクロ及びナノ構成ブロックを導電性又は絶縁性の表面又は構造上にアセンブリするために多くの方法が用いられてきた。アセンブリの制御及び速度は多くのパラメータ、例えば、粒子サイズ、濃度、電荷、流れの速度及び方向、電圧、周波数、誘電定数等に依存する。流体の力、毛細管力、又は他の力に依存するアセンブリ機構を用いる場合、アセンブリ力は、誘電泳動(DEP,dielectrophoresis)や電気泳動(EP,electrophoresis)に基づいてアセンブリのように、制御することができるが、(オンデマンドで)オン及びオフにすることができない。電気泳動は、高速アセンブリのための指向性アセンブリ法であるが、製造プロセス中に配向されるマイクロスケール要素が電荷を有することを要する。DEPアセンブリ力は、粒子又は原料の誘電定数のみに依存するので、帯電していない原料をアセンブリするための使用により適している。DEPアセンブリを用いて、ナノ及びマイクロスケールの粒子、ロッド、バー、及び/又はナノチューブ束を所望の位置における正確な整列で大面積にわたって秒単位で二次元及び三次元構造にアセンブリすることができる。原料溶液の希釈及び印加電場の強度に基づいて、アセンブリ速度を制御することができる。DEP力は原料を分極させるので、アセンブリ中に原料を整列させて、原料を配向させる。アセンブリ中のナノ物質及びナノスケール原料の指向性は、印加電場の電気力線/勾配を制御することによって効果的に制御可能である。DEPアセンブリ力はナノ又はマイクロスケールで効果的に印加可能である。
二層のマイクロスケール要素から物体のアレイを製造するためのDFAプロセス200の一実施形態が図1A〜図1Eに概略的に示されていて、またはそのフローチャートが図2に示されている。図2の段階205では、図1Aに示されるように、基板物質10、例えばシリコンウェーハを第一組の機能性部分(funcitonal moiety)A(本願では「クリック化学物質」とも称される)でパターン化する。機能性部分Aが基板10の表面15上の領域(マイクロスケール原料要素を基板10に接続させたい領域)に存在するように基板10がパターン化させる。例えば、電子線リソグラフィ及びリフトオフによって、又は当該分野において既知の他のパターン化方法によって、基板10を金(Au)でパターン化し得る。一端がチオールであり他端がアジド(クリック反応のA側)である二官能性分子を基板と共に溶液中に入れ得る。そうすると、チオールがパターン化金表面に結合して、後続ステップにおけるアルキン(クリック反応のA’側)官能化原料に対する後続アセンブリのためにアジドが露出される。
図2の段階210では、図1Bに示されるように、基板10の表面15上に存在するクリック化学物質Aと相補的なクリック化学物質A’で機能化(官能化)されたマイクロスケール原料要素L1を含有する流体20(例えば、水、緩衝溶液、イオン液体、有機溶媒)中に、パターン化基板10を入れる。本願において、「相補的」な化学基、部分又は構造とは、互いに特異的に結合する化学基、部分又は構造のことである。マイクロスケール原料要素L1は、マイクロスケールのロッド、バー又はシリンダーの形状であって、そのロッド、バー、又はシリンダーの一端又は両端に存在するクリック化学物質A’を有し得る。一例では、原料要素L1(又は以下で言及するL2やL3)は二次元アレイに並べられた表面(例えば、シリコンウェーハ)上に配設して製造される。ウェーハは、指向性蒸着源に対して急傾斜で電子線蒸着器内に置かれて、全ての原料要素の一端が蒸着金属(例えば、金)に晒され、金属薄膜がそれら一端のみに堆積する。次いで、ウェーハを180度回転させて、他端の面上に金属(金である場合も他の金属や誘電体である場合もある)を堆積させる。次いで、下方の層をエッチング除去することによって、原料要素を基板からリリースする。一端がチオールであり他端がアルキン(クリック反応のA’側)である二官能性分子を有する溶液中に原料要素を入れる。チオールは金に結合して、次の原料要素上のアジドに対する後続アセンブリのために、アルキンを露出させる。
図1Bは、マイクロスケール原料要素L1の均一な集団を示すが、他の実施形態では、流体20は、サイズ及び/又は形状が異なるマイクロスケール原料要素の不均一な集団を含み得る。一部実施形態では、異なる複数のクリック化学物質が基板10の異なる複数の領域上にパターン化され得る。流体20中の異なるサイズ及び/又は形状のマイクロスケール原料要素は、基板10上にパターン化された異なる複数のクリック化学物質と相補的な異なる複数のクリック化学物質を備え得て、異なるサイズ及び/又は形状のマイクロスケール原料要素が一回のプロセスで基板10の異なる領域に結合されるようにし得る。
図2の段階215では、図1Cに示されるように、マイクロスケール原料要素L1を基板10の表面15に配向及び配置させる。多様な実施形態において、誘電泳動、電気泳動、流れ、対流、毛細管力、磁場、拡散、又はこれらの組み合わせのうち一つ以上を用いて、基板上に原料を配向(向き決め)及び配置(位置決め)する。一部実施形態では、基板物質10は導電性(例えば、高濃度ドープシリコン)であり、及び/又は、導電性薄膜(例えば、金属、インジウム錫酸化物、又は他の導電性物質)でコーティングされて、基板10の表面にわたる電荷の広がりを促進して、マイクロスケール原料要素L1を基板10の表面15上の適所に整列、配向及び/又は移動させるための電場生成に役立てる。マイクロスケール原料要素L1が適所に存在すると、クリックケミストリーでは、クリック化学物質AとA’との間に共有結合を形成することによって、マイクロスケール原料要素L1が適所に固定される。他の実施形態では、以下でより完全に説明するように、相補的なクリック化学物質の代わりに又は追加して、相補的なDNA鎖を使用して、基板10の表面15上に原料要素L1を結合させ、及び/又は異なる原料要素を互いに結合させ得る。一部実施形態では、クリック化学物質AとA’との間の共有結合を、エネルギー(例えば、熱や紫外線)及び/又は化学的開始剤を加えることによって発生開始させる(図2の段階220)。機能性部分Aでパターン化された基板上の領域は、原料要素L1の直径よりも顕著に大きな面積を有し得て、例えば、機能性部分Aでパターン化された基板上の領域は、略10nm2から略1μm2程度の面積を有し得る一方で、原料要素L1の直径は略1nmから略50nm程度であり得る。他の実施形態では、機能性部分Aでパターン化された基板上の領域は、基板に結合する原料要素L1の部分の断面積の略2倍から略10倍の間の面積を有し得る。従って、複数の原料要素L1が、機能性部分Aでパターン化された基板上の複数又は各領域に結合し得る。従って、図面における個々の原料要素の図示は、図示されている各原料要素に対する代表的な複数の原料要素とみなされるものである。
図2の段階225では、図1Dに示されるように、マイクロスケール原料要素L1が結合した基板10を、第二層のマイクロスケール原料要素L2を含む第二液体30と接触させる。マイクロスケール原料要素L1の自由端25は、マイクロスケール原料要素L2の端部に存在するクリック化学物質と相補的な他のクリック化学物質で機能化(官能化)される。一部実施形態では、マイクロスケール原料要素L1の自由端25は、基板に結合する端部に含まれるのと同じクリック化学物質A’で機能化(官能化)され、マイクロスケール原料要素L2は、基板の表面15上にパターン化されたものであるクリック化学物質Aで機能化(官能化)される。他の実施形態では、異なるクリック化学物質対B‐B’を用いて、第一層のマイクロスケール原料要素L1と第二層のマイクロスケール原料要素L2を結合させる。一部実施形態では、液体30は液体25と同じ液体であり、基板10に対するマイクロスケール原料要素L1の結合は、マイクロスケール原料要素L1に対するマイクロスケール原料要素L2の結合と同時に生じ得る。一部実施形態では、異なるトリガー、例えば異なる種類又はレベルのエネルギーや異なる化学的開始剤を用いて、基板10に対するマイクロスケール原料要素L1の結合と、マイクロスケール原料要素L1に対するマイクロスケール原料要素L2の結合とを発生開始させる。
図2の段階230では、図1Eに示されるように、マイクロスケール原料要素L2をマイクロスケール原料要素L1上に配向及び配置させる(例えば、末端間構成で)。他の実施形態では、以下で詳細に説明するように、マイクロスケール原料要素L2を角度をもたせてマイクロスケール原料要素L1上に配向及び配置し、例えば、マイクロスケール原料要素L2の長手方向軸は、マイクロスケール原料要素L1の長手方向軸に対して実質的に垂直を向く。多様な実施形態において、DEP、拡散及び/又は対流のうちいずれか一つ以上を用いて、マイクロスケール原料要素L1上にマイクロスケール原料要素L2を配向及び配置する。クリックケミストリーでは、マイクロスケール原料要素L2が適所に存在すると、クリック化学物質AとA’との間の共有結合の形成によって、マイクロスケール原料要素L2がマイクロスケール原料要素L1上の適所に固定される。一部実施形態では、クリック化学物質AとA’との間の共有結合を、エネルギー(例えば熱や紫外線)及び/又は化学的開始剤を加えることによって、発生開始させる(図2の段階235)。一部実施形態では、原料要素L1の機能化領域は、原料要素L2の直径よりも大きくなり得て、複数の原料要素L2が原料要素L1の個々の機能化領域に結合し得る。
プロセス200によると、所望のマクロスケール物体を形成するのに所望の数の層に達するまで、これまでに結合したマイクロスケール原料要素に追加層の原料要素を加え得る(図2の段階240)。例えば、基板10と三層のマイクロスケール原料要素L1、L2及びL3とを含む構造40が図1Fに示されている。一部実施形態では、マイクロスケール原料要素L1、L2及びL3、また、要素L3に直接又は間接に接続した追加のマイクロスケール原料要素のうち一種以上は、基板10に対して実質的に垂直に、又は基板に対してゼロ度から略45度までの間の角度で接続され得る。一部実施形態では、マイクロスケール原料要素L1、L2及びL3、また、要素L3に直接又は間接に接続した追加のマイクロスケール原料要素のうち一種以上は、他の原料要素のうち一種以上に対して実質的に一直線上に、又は他の原料要素のうち一種以上に対してゼロ度から略45度までの間の角度で接続され得る。一部実施形態では、マイクロスケール原料要素L1は、略100マイクロメートル(μm)×略5μmの寸法を有するロッド、バー又はシリンダーであり得て、マイクロスケール原料要素L2は、略10μm×略0.5μmの寸法を有するロッド、バー又はシリンダーであり得て、マイクロスケール原料要素L3は、略1μm×略0.1μmの寸法を有するロッド、バー又はシリンダーであり得る。これら寸法は単に例であって、本開示を限定するものではない。方法200は3層のマイクロスケール原料要素に限定されるものではなく、あらゆる層数の同様の又は異なる形状及びサイズのマイクロスケール原料要素を接続して、本願で開示されるようなマクロ構造を形成することができる。一部実施形態では、1マイクロメートル未満の長さ及び/又は幅を有する単層若しくは多層カーボンナノチューブ又は金属、ポリマー若しくは誘電体のナノロッド若しくはナノ粒子が利用可能である。
基板、及びクリック化学物質を有する原料の面又は端部をパターン化することによって、2D構造又は3D構造を形成することができる。原料の面、端部、又は側部の一部上の特定の箇所の上にクリック化学物質をパターン化することによって、異なる層の原料要素を互いに所望の向きで配向させ得る。DFAはその並列性のため高速で拡張可能な製造方法である。しかしながら、より低速なピックアンドプレース製造方法の一部と比較すると、DFAには欠陥の問題があるので、欠陥に耐性のある応用に最も適し得る。あまり欠陥に耐性のない構造については、DFAにエラーチェック及び/又はピックアンドプレース補正法を組み合わせて、高製造速度で低欠陥レベルを達成することができる。
[マイクロスケール要素の製造]
本開示の2D及び3D構造を形成するのに利用されるマイクロスケール原料要素は、例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、タングステン、SU‐8フォトレジスト又は他の有機若しくは無機ポリマー、生物学的な物質(例えば、キトサン)、又は、例えば所望の機械的、熱的、光学的、電気的、磁気的及び/又は化学的特性に基づいて選択された他の物質を含む物質から形成され得る。
本開示の2D及び3D構造を形成するのに利用されるマイクロスケール原料要素は、例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、タングステン、SU‐8フォトレジスト又は他の有機若しくは無機ポリマー、生物学的な物質(例えば、キトサン)、又は、例えば所望の機械的、熱的、光学的、電気的、磁気的及び/又は化学的特性に基づいて選択された他の物質を含む物質から形成され得る。
本開示の2D及び3D構造を形成するのに利用されるマイクロスケール原料要素は、半導体産業における電子デバイス及び/又は微小電気機械システム(MEMS,micro electro mechanical system)デバイスの製造において用いられているものと同様のプロセスを用いて形成され得る。本開示の2D及び3D構造を形成するのに利用されるマイクロスケール原料要素を形成するための方法400の一例が、図4のフローチャート及び図3A〜図3Jの概略図に示されている。
段階405では、基板、例えば、シリコンウェーハ305(又は代わりに、サファイア、ガラスウェーハ、圧電体、石英若しくは他の絶縁体、又は特定の実施に望ましい他の基板物質)を提供し、誘電体310の犠牲層、例えば、二酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4(SiO2から原料要素を形成する際に利用され得る))を、化学気相堆積(CVD,chemical vapor deposition)又は半導体製造において知られているような拡散炉中での拡散プロセスを用いて、シリコンウェーハ305の面上に成長させる(図3Aを参照、ウェーハ305の一部と誘電体310の層が示されているが、縮尺通りではない)。誘電体310の層は、略100nmから略50μmまでの間の厚さであり得るが、この範囲は単に一例であって限定的なものではない。以下で説明するように、一部実施形態では、犠牲ポリマー層、例えば、フォトレジストやポリビニルアルコール(PVA,polyvinyl alcohol)を誘電体310に追加して、又は代わりに用い得る。
段階410(図3B)では、所望の原料物質の層315を誘電体310の層の上に堆積させる。堆積方法は原料物質の種類に依存する。例えば、原料物質がSi、SiO2又はSi3N4の場合、原料物質をCVDプロセス、スピンオングラスプロセスを用いて堆積させ、又は拡散炉中で成長させ得る。原料物質が金属の場合には、電気メッキプロセスや物理気相堆積プロセス(スパッタリングや蒸着等)を用いて堆積させ得る。誘電体310の層の上へのフォトレジスト又は他のポリマーの堆積には、スピンオンプロセスを用い得て、これに任意で、焼成プロセスが続いて、フォトレジスト又は他のポリマーから揮発性溶媒を除去する。ウェーハ上の誘電体310の層の上に多様な物質を堆積させるためのこれら及び他のプロセスは半導体製造分野において周知であるので、本願では詳細に説明しない。原料物質の層315は略0.1μmから略100μmまでの間の厚さであり得るが、この範囲は単に一例であって限定的なものではない。
段階415では、原料物質の層315をパターン化する。原料物質の層315のパターン化は、半導体ウェーハ上に特徴部(フィーチャ)をパターン化する既知の方法を用いて達成可能である。例えば、フォトレジスト320の層を、原料物質の層315の上にスピンコーティングによってコンフォーマルに堆積させ、プレ焼成して余分なフォトレジスト溶媒を除く(図3C)。次いで、フォトレジスト320の層を、フォトマスクを通して架橋用放射線(ネガ型フォトレジストの場合)、例えば、紫外線に暴露して、マイクロスケール原料要素にとって望ましい寸法を有するフォトレジスト320の架橋層中のパターンを画定し、任意で暴露後焼成に晒して、架橋用放射線の弱め合う干渉パターン及び強め合う干渉パターンによって生じる定常波現象を減らすのに役立てる。次いで、現像剤化学物質、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム等の現像剤に晒すことによる現像プロセスによって、架橋していないフォトレジストを除去し、任意で、硬焼きして、残留しているフォトレジストを硬化させる。架橋していないフォトレジストの除去は、原料物質の層315の部分を露出させ(図3D、ウェーハの一部分の拡大平面図を示す、残留フォトレジスト320によって覆われた層315の部分のアスペクト比は縮尺通りではない)、次いで、原料物質の種類に応じた乾式及び/又は湿式エッチングプロセスによってエッチングして、層315から所望の寸法を有するマイクロスケール原料要素325を形成する。次いで、残留している架橋フォトレジスト320を、化学的レジストストリッピング及び/又はアッシング(灰化)プロセスでの熱分解によって除去し、ウェーハ305を例えば半導体製造分野において知られているような硫酸/過酸化水素溶液中でクリーニングし得る。一部実施形態では、例えば、図3D1に示されるように(図1Fの原料要素L1にも示される)、マイクロスケール原料要素325の一端又は両端325A、325Bを、原料要素325の長手方向軸Lに対する或る角度(例えば、0から略45度までの間)でパターン化して、基板又は他の原料要素に対する或る角度での原料要素325の取り付けを促進し得る。
段階420では、フォトレジスト330の第二層をマイクロスケール原料要素325の上に堆積させ、パターン化して、機能化させたい原料要素325の部分のみを露出する(図3E)。一部実施形態では、フォトレジスト330の第二層のパターン化後に、露出された原料要素325の端部をエッチング除去して、マイクロスケール原料要素325の端面335のみが露出されるようにする。
段階425では、接着物質340(これにクリック化学基及び関連するバインダ分子が後に結合する)を原料要素325の露出部分の上に堆積させる(図3F)。一部実施形態では、バインダ分子が露出された原料に直接付着する一方で、原料の残部はフォトレジスト下で保護される。一部実施形態では、物質340は、金属又は半導体を含むか又はこれで構成され、例えば、金、シリコン、二酸化ケイ素、鉄、酸化鉄、ニッケル、又は有機ポリマーが挙げられる。一部実施形態では、物質340を、CVD又は蒸着プロセスによってコンフォーマルに堆積させる。他の実施形態では、原料要素325の露出部分をその上面において露出させ、又は、ウェーハ305をスパッタリングツールの堆積室内において、マイクロスケール原料要素325の露出部分をスパッタリング物質ターゲットに向かう方向に露出させるような向きにして、スパッタリングプロセスを用いて物質340を堆積させ得る。次いで、フォトレジスト330の第二層を、例えば湿式化学エッチングによって除去し、フォトレジスト上にスパッタリングされた物質も除去して、原料要素の端部を、スパッタ物質でコーティングされたままにする。一部実施形態では、段階425を繰り返して、マイクロスケール原料要素325の異なる部分上に異なる物質340、340Aを堆積させ、例えば、原料要素325の異なる端部325A、325Bに異なる物質を堆積させるが、原料要素325の異なる端部325A、325Bの各々に同じ物質を堆積させてもよい。更に、図3Fに示されるように、マイクロスケール要素325の上面及び/又は側面の部分325Cをリソグラフィによるフォトレジストパターン化によって露出させ、物質340、340A以外のクリック化学部分に結合し得る同様の又は異なる物質340Bを、マイクロスケール原料要素325の上面及び/又は側面の部分325Cの上に堆積させ得る。一部実施形態では、図3Fに示されるように、物質340(及び任意で物質340A)は原料要素325の露出部分上に選択的に堆積する。代替実施形態では、接着物質340の代わりに、マスキング物質を用いて、クリック化学基及び関連するバインダ分子が後に結合しないようにするマイクロスケール原料要素325の領域を画定する。
他の実施形態では、物質340は、フォトレジスト330の第二層、原料要素325の露出部分、及び誘電体層310の露出面の上にコンフォーマルに堆積して、この場合、物質340を堆積させた原料要素325の部分を覆うように更なるフォトレジスト層を堆積させ、物質340が堆積させた誘電体層310の表面を露出させ得て、例えば、乾式エッチングによって、物質340を堆積させた誘電体層310の表面から物質340を除去し得る。次いで、フォトレジストの更なる層を除去する。代替的に又は追加的に、誘電体層310の露出面上に堆積させた物質340を異方性乾式エッチング(例えば、アルゴンプラズマエッチング)によって除去し得て、この場合、物質340を堆積させた原料要素325の端部を保護するフォトレジストの層を設けても設けなくてもよい(図3Gを参照、複数の原料要素のうち一つの一部分及び隣接構造を通る概略的断面図)。
段階430では、フォトレジスト330の第二層を、例えば、熱分解及び/又は化学的溶解によって除去する。フォトレジスト330の第二層に接着した物質340の部分もこの段階において除去され得て、誘電体310の層の上に残る原料要素に付着した物質340を含む原料要素層315をもたらす(図3H)。
段階435では、湿式エッチング剤345、例えば誘電体層310がSiO2の場合にはフッ化水素酸、誘電体層310がSi3N4の場合にはリン酸、又は誘電体層310の物質に応じて選択された他の適切なエッチング剤に晒すことによって、誘電体層310を溶解又はエッチング除去して、マイクロスケール原料要素325をウェーハ305からリリースする。段階435では、リリースに用いられたエッチング剤345を濾過することによって、リリースされたマイクロスケール原料要素325を収集し、任意で洗浄して、エッチング剤を中和する。
上記プロセスには多様な修正を行い得る。例えば、誘電体310の層をシリコンウェーハ305上に堆積させ、次いで化学的エッチングによって除去する代わりに、半導体製造分野において知られているように、ポリマー、例えば、フォトレジスト、ポリイミド、又は他のポリマーの層をシリコンウェーハ305上に堆積させ、次いで、例えば、溶媒(エチレングリコール、ガンマブチロラクトン、シクロペンタノン、N‐メチル‐2‐ピロリドン、又は他の既知の溶媒)に晒すこと、及び/又は、熱分解によって除去し得て、形成されたマイクロスケール原料要素をリリースする。代わりに、水溶性であるポリビニルアルコール(PVA,polyvinylalcohol)を層310として用い、後に段階435において水に晒すことによって除去することができる。フォトレジスト320はポジ型であり得て、フォトマスクを介して放射線に晒されると可溶性になり、マイクロスケール原料要素325用の所望の形状を有する領域以外の領域が露出される。一部実施形態では、原料要素325が形成される層315はそれ自体が光イメージング可能なポリマー、例えばSU‐8であり得て、この場合、第一フォトレジスト層220は必要でなくなり得て、パターン化放射線及び現像液中での現像を受けることによって、層315が直接パターン化され得る。一部実施形態では、異なるサイズ及び/又は形状のマイクロスケール原料要素を同じウェーハ上に同時に形成し得て、一方、他の実施形態では、同じ寸法を有するマイクロスケール原料要素のみを単一のウェーハ上に形成する。
更なる実施形態では、例えば、ロッド又はバー状のマイクロスケール原料要素325を形成する代わりに、ブロック又はキューブ状の要素として原料要素325を形成し得る。例えば、図3Jを図3Dと比較すると、図3Dに示されるようなロッドやバーの代わりに、図3Jに示されるフォトレジスト320は、実質的に正方形にリソグラフィでパターン化され得る。次いで、層315をエッチングして、ブロック又はキューブ状の原料要素325を形成し得る。ブロック又はキューブ状の原料要素325は、上述のようなロッド又はバー状のマイクロスケール原料要素325と同様に処理可能であり、異なるクリック化学基が結合し得るブロック又はキューブ状の原料要素325の異なる面上に異なる物質を堆積させ得る。ロッド又はバー状のマイクロスケール原料要素325と同様に、ブロック又はキューブ状の原料要素325は、多様な所望の物質、例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、タングステン、SU‐8フォトレジスト又は他の有機若しくは無機ポリマー、生物学的な物質(例えば、キトサン)、又は、例えば、所望の機械的、熱的、光学的、電気的、磁気的、及び/又は化学的特性に基づいて選択された他の物質のうち一種以上で形成され得る。代わりに、原料要素325は、ブロックやキューブ以外の三次元の規則的な又は不規則な角柱、例えば、四角柱、三角柱、五角柱、五角柱等として形成され、異なる側部がその上に堆積させた同じ又は異なる物質を有し、それに同じ又は異なるクリック化学基が結合し得る。
一部実施形態では、以下で説明するように、ブロック又はキューブ状の原料要素、又は多様な三次元形状、例えば、球や、ブロックやキューブ以外の規則的若しくは不規則な角柱を有する要素を、リンカー要素1135として利用し得て、これは、他の原料要素に結合するための(又は原料要素を基板に結合させるための)中間要素として用いられ得る。リンカー要素1135は、色々な形状、例えば、リンカー要素1135に結合した原料要素を所定の所望角度で結合させるような互いに対する所望の角度で配される壁を有して形成され得る。リンカー要素1135は、所定数の原料要素、例えば1個から略10個以上の原料要素をリンカー要素1135の側部に結合させることを可能にするサイズを有する側部、又はその機能化部分を備えて形成され得る。原料要素の所定数は、リンカー要素1135の側部やその機能化部分のサイズに対するその所定数の原料要素の結合領域のサイズによって定められ得る。
マイクロスケール原料要素325を形成するための他の実施形態のプロセス600を、図5A〜5Hと、図6のフローチャートとを参照して説明する。段階605では、物質、例えば、半導体ウェーハ505をパターン化して、形成したい所望のマイクロスケール原料要素325と実質的に同様の寸法を有する構造510のアレイを呈するようにする。一部実施形態では、図5A及び図5A1に示されるように、構造は半導体ウェーハ505の表面515に垂直に向けられ得る。他の実施形態では、図5B及び図5B1に示されるように、構造は、半導体ウェーハ505の表面515上に平行に向けられて配置され得る。構造510は実質的にシリンダー状のもの、断面が実質的に矩形のもの、又は他の形状のものであり得て、マイクロスケール原料要素325にとって望ましい寸法を有する。例えば、図5A、図5B、図5A1及び図5B1では高アスペクト比のシリンダーやロッドとして示されているが、構造510は、低アスペクト比を有し得て、例えば、パック(puck,平円盤)、ブロック、キューブ、又は他の規則的若しくは不規則な角柱の形状であり得る。
段階610では、モールド物質(型物質)、例えば、ワックス、シリコーン、エポキシ系物質、又は他当該分野において知られている他のモールド物質を構造のアレイの上に堆積させて、硬化させ、モールド(型)520を形成する(図5C)。一部実施形態では、モールド物質の堆積の前に、リリース剤(離型剤)を堆積させる。リリース剤の例として、例えば、GEヘルスケアライフサイエンス社製のPlusOne(登録商標)Repel‐Silane ESとして入手可能な気相堆積ジメチルジクロロシラン、又は気相堆積ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。
段階615では、硬化したモールド520を半導体ウェーハ505及び構造510のアレイから取り外す(図5D)。
段階620では、液状又はスラリー状の所望の物質525を、構造510のアレイによって形成されたモールド520中の跡530の中に堆積させ、余分な物質525を、例えば、モールドの表面540から除去する(図5E)。物質525は固化又は硬化可能である。熱及び/又は放射線、例えば、紫外線、化学線、又は他の形態の放射線を物質525に印加して、固化又は硬化を促進及び/又は加速し得る。
段階625では、接着物質340、例えば、上述の接着物質340のうち一種以上の層を、固化物質525の所望の部分、例えば、モールド520の跡530内に露出された端部545の上に堆積させる(図5F)。一部実施形態では、一種以上の接着物質340を、物理的堆積法、例えば、スパッタリングや蒸着によって堆積させる。他の実施形態では、一種以上の接着物質340をスクリーン印刷や他の堆積法によって堆積させる。
一部実施形態では、固化物質55の追加部分の上に一種以上の接着物質340を堆積させることが望まれ、モールド520を切断して、その追加部分、例えば、固化物質525の他方の端部550を露出させ得る(図5G、任意の段階630)。次いで、上述の第一所望部分の上に一種以上の接着物質340を堆積させたのと同様の方法を用いて、一種以上の接着物質340を追加部分上に堆積させ得る(図5H、任意の段階635)。一部実施形態では、異なる種類の接着物質340、例えば、異なる及び/又は相補的なクリック化学基に結合する物質を固化物質525の異なる部分上に堆積させ得る。
段階640では、接着物質340を堆積させた固化物質525をモールド520から取り外すが、これは、例えばモールド物質の融解、モールドの物質の溶媒中での溶解、モールドからの固化物質525の切断、又は当該分野において知られている他の方法によって行われ、複数の自由なマイクロスケール原料要素325がもたらされ、次いで、後の使用のために収集される。
本願で開示される一部実施形態では、構造は、マイクロスケール原料要素としてナノチューブを含んで形成される。ナノチューブは、本願で開示されるいずれの原料要素にも利用可能である。ナノチューブは、炭素、ホウ素又は他の元素を含むか又はそれから成り得る。カーボンナノチューブは数ナノメートルという小さな直径を有し得る。カーボンナノチューブはCVDプロセスによって形成可能であり、カーボンナノチューブは、金属触媒粒子、例えば、ニッケル、コバルト、鉄、又はこれらの組み合わせの粒子の上に成長する。その成長中において、触媒粒子は、成長しているナノチューブの先端に留まるか、又は成長中のナノチューブの底に残り得る。多様な供給業者から入手可能なカーボンナノチューブからは、触媒粒子が除去されていることが多い。しかしながら、一部実施形態では、触媒粒子をカーボンナノチューブに残して、接着物質340として利用し得て、その接着物質にクリック化学物質及び関連するバインダ分子が接着して、カーボンナノチューブを他のマイクロスケール原料要素に付着させることを促進し得る。他の実施形態では、欠陥、例えば、カルボン酸をカーボンナノチューブの端部に優先的に発生させて、接着物質例えば、基板又は他の原料要素に結合したアミド基に対する結合を促進し得る。
[ブロックコポリマーを利用する方法を用いて製造されるナノスケール原料]
一部実施形態では、従来のリソグラフィプロセスで達成可能なものよりも小さな寸法を有するマイクロ又はマクロスケール構造の製造用の原料要素、例えば、略20nm以下の幅や直径を有するロッド、バー、シリンダーや角柱を形成することが望まれ得る。そのようなナノスケール原料要素をシリコン、二酸化シリコン、二酸化チタン、酸化亜鉛、タングステン、又は所望の物理的、化学的、光学的、電気的又は磁気的特性を有する他の物質から形成することが望まれ得る。一部実施形態では、そのようなナノスケール原料要素を形成する方法において、ナノスケール構造に自己組織化する多様な種類のジブロックコポリマーやマルチブロックコポリマーの性能を利用し得る。
一部実施形態では、従来のリソグラフィプロセスで達成可能なものよりも小さな寸法を有するマイクロ又はマクロスケール構造の製造用の原料要素、例えば、略20nm以下の幅や直径を有するロッド、バー、シリンダーや角柱を形成することが望まれ得る。そのようなナノスケール原料要素をシリコン、二酸化シリコン、二酸化チタン、酸化亜鉛、タングステン、又は所望の物理的、化学的、光学的、電気的又は磁気的特性を有する他の物質から形成することが望まれ得る。一部実施形態では、そのようなナノスケール原料要素を形成する方法において、ナノスケール構造に自己組織化する多様な種類のジブロックコポリマーやマルチブロックコポリマーの性能を利用し得る。
ブロックコポリマーの自己組織化の具体的な一例では、70%のポリスチレン(PS,polystyrene)と30%のポリメチルメタクリレート(PMMA,poly(methyl−methacrylate))から成るジブロックコポリマー(ポリ(スチレン‐b‐メチルメタクリレート))、以下70:30PS‐b‐PMMAと称する)を64kg/molの総モル重量で、基板(例えば、シリコンや二酸化シリコン)の表面にエッチングした略100nmから略600nmまでの幅を有するトレンチ中に堆積させる。70:30PS‐b‐PMMAは、PSのマトリクス中に直径20nmのシリンダー状PMMA領域の六方格子を自然に形成する。PMMAを、酢酸への浸漬によってシリンダー状領域から除去して、幅20nmのトレンチのパターンを残し得て、そこから、ナノスケール原料要素を形成し得る。
70:30PS‐b‐PMMAを用いるナノスケール原料アセンブリ方法の一例が図7A〜図7Iに示されている。図7Aでは、リソグラフィ的に画定されたトレンチ710が、基板705の上面に形成される。図示されている実施形態では、基板705は多層基板であり、例えばシリコンの下層705Aと、酸化シリコン又は窒化シリコンの中間層705Bと、例えばシリコン又は酸化シリコンの上層705Cとを含む。上層705Cが下層705Aに対して選択的にエッチングされ得る実施形態では、中間層705Bが省かれ得る。上層705Cは、例えば、厚さ略20nmのもの、又は、以下で説明するようにエッチングマスクとして機能するジブロックコポリマー領域の直径の対応する厚さのものであり得る。トレンチ710は、例えば略40nm又はジブロックコポリマーパターンの略自然周期の深さと、例えば略500nmの幅と、数マイクロメートルからトレンチが形成されるチップ又は半導体ウェーハの幅(最大数百mm)までとなり得る長さとを有し得る。トレンチをエッチングする代わりに、トレンチと同様の寸法を有する領域を、基板705の上面の上にフォトレジスト又は他の物質の壁を堆積及びパターン化することによって画定することもできることを理解されたい。
図7Bでは、液相の70:30PS‐b‐PMMAコポリマー715を、例えばスピン堆積を用いて、基板705の上に堆積させて、トレンチ705を充填する。次いで、堆積させた70:30PS‐b‐PMMAコポリマー715を、例えば略250℃で略8時間にわたってアニーリングし、次いで室温に冷却して、アニーリングされたコポリマー中に自己組織化したPMMAパターンを得る。トレンチ705の壁710が、70:30PS‐b‐PMMAコポリマー中のポリマー領域の組織化を開始させて、図7Cに示されるように、トレンチ705中のPSマトリクス725にPMMA半シリンダー720を形成する。次いで、基板705を酢酸に浸漬することによって、PMMA半シリンダーを除去して、凹部730を残す(図7D)。短期のO2プラズマエッチングで、凹部730の下のPSを除去して、残留PSのアイランド735間に層705Cの表面を露出する(図7E)。例えば、SF6+O2プラズマを用いる第二プラズマエッチングで、PSアイランド735によってマスキングされていない層705Cを全て除去して、層705Cの物質のナノロッド740、例えばシリコンナノロッドを形成する。次いで、例えば図3Eを参照して上述したような原料要素325と同様の方法で、ナノロッド740をパターン化フォトレジストで覆い得て、そして、図3F〜図3Hを参照して上述したように端部及び/又は側部の部分に堆積させたクリック化学結合物質を有するようにし得る。
代わりに、図7Cから始めて、逐次浸透合成によって、PMMAシリンダーを無機物質、例えばアルミナに変換することができる。アルミナロッドは、ナノロッドがパターン化される層705Cを露出するためのPSマトリクスに対するエッチングマスクとして機能し、また、ナノロッド層705C中にナノロッド740を形成するためのエッチングマスクとして機能することができる(図7Gを参照)。エッチングによってナノロッド740が画定されると、例えば熱アッシング及び/又は溶媒を用いて、PSマトリクス及び変換PMMAシリンダーを除去し、また、適切なリソグラフィパターン化及びエッチングによって、層705Cの余分な部分を除去し得る(図7H)。ナノロッド740が形成されると、ナノロッド740の層を、ナノロッド740の長手方向軸に直交する方向にリソグラフィでパターン化し、次いで、以下で説明しまた図8Cに示されるようにナノロッドの長さを設定するためにエッチングし得る。ナノロッド740は、その長さを設定した後においてフォトレジストマトリクス中に埋め込まれていて、その端部のみが露出されているので、リリース前に端部のみを選択的に機能化させることができる。
次いで、既知のフォトレジストストリッピング法を用いて残留しているフォトレジストを除去し、湿式エッチング剤、例えば、層705BがSiO2の場合にはフッ化水素酸、層705BがSi3N4の場合にはリン酸、又は層705Bの物質に応じて選択された他の適切なエッチング剤に晒すことで層705を溶解又はエッチング除去することによって、ナノロッド705を基板705の残部からリリースし得る。下方の基板705Aがシリコンであり、中間層が存在しない場合には、乾式のXeF2エッチングや湿式のKOH又はTMAHエッチングでナノロッド740をリリースすることができる。例えば、リリースに用いられたエッチング剤を濾過することによって、リリースされたナノロッド740を収集し、任意で洗浄してエッチング剤を中和し得る。
上記プロセスには多様な修正を行い得る。例えば、層705Bが酸化シリコン又は窒化シリコンであることに代えて、層705Bは、ポリマー、例えば、フォトレジスト、ポリイミド、他のポリマーの層であり得て、層705Aの上に堆積され、次いで、半導体製造分野において知られているように、例えば、溶媒(エチレングリコール、ガンマブチロラクトン、シクロペンタノン、N‐メチル‐2‐ピロリドン、又は他の既知の溶媒)に晒すこと及び/又は熱分解によって除去されて、形成されたナノロッド740をリリースし得る。代わりに、水溶性であるポリビニルアルコール(PVA)を層705Bとして用い、後に水に晒すことによって除去して、形成されたナノロッド740をリリースし得る。更に、PMMA領域、つまりはこのプロセスで形成されるナノロッド740の直径を、PS‐b‐PMMAコポリマー中のPMMAに対するPSの量等の因子を調整することによって、調整し得る。上述の例よりも多いパーセンテージのPMMAはより大きな直径のPMMA領域をもたらし、より少ないパーセンテージのPMMAはより小さな直径のPMMA領域をもたらし得る。一部実施形態では、PMMA領域の直径は略5nmから略50nmまでで異なり得る。
トレンチ710の深さを調整することによって、PMMA領域の形状を調整し得る。上述のように、略25nmの深さを有するトレンチでは、PMMAの半シリンダー領域が70:30PS‐b‐コポリマーを用いて形成される。トレンチの深さを増大させる及び/又はPS‐b‐PMMAコポリマー中のPMMAのパーセンテージを減少させると、PSマトリクス中に完全に埋め込まれたPMMA領域の完全なシリンダーが形成され得る。
ブロックコポリマーを用いてナノスケール原料要素、例えば、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、又はタングステンのうち一種以上を含むがこれらに限定されない物質のナノロッドを形成する他の方法は、ブロックコポリマー中に自己組織化される領域の逐次浸透合成(SIS,sequential infiltration synthesis)を含む。この方法の一例が図8A〜図8Cに示されている。
図8Aは、基板、例えばシリコン基板の一部分を示し、その上にナノスケール原料要素が形成される。基板815の上面に、フォトレジスト810のパターン化ラインによって、膜受容領域805を画定する。液体ブロックコポリマー、例えばPS‐b‐PMMAコポリマーを、例えばスピン堆積によって、基板815上に堆積させて、膜受容領域805の少なくとも一部分を充填する。ブロックコポリマーをアニーリングして、個別のポリマー領域、例えば、図8Bに示されるようなPSのマトリクス825中のPMMAロッド820を形成する。PMMAロッドは、略10nmから略10nmまでの寸法を有し得るが、これら寸法は限定的なものではない。
膜受容領域805は、基板815で形成されたウェーハ830の幅の全体又は実質的に全体にわたって延在し得る(図8C)。ウェーハ上のフォトレジスト835をパターン化し、例えばO2プラズマエッチングでのエッチングによってアニーリングされたブロックコポリマーの露出領域を除去し、次いでフォトレジスト835を除去することによって、アニーリングされたブロックコポリマーから形成されるナノスケール原料要素の長さを定め得る。代わりに、このエッチングを、以下のSISステップの後によって行い、この方法によって形成されるナノロッド740の長さを定めることもできる。
例えば、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、タングステンのうち一種を備える、から成る又は実質的に成るナノスケール原料要素を、SISによって、アニーリングされたブロックコポリマーのPMMAロッド820から形成し得る。SISプロセスでは、まず、金属前駆体、例えば、TiCl4、AlCl3、Al(CH3)3のうち一種、又は、PSマトリクスに拡散し且つPMMA領域中のカルボニル基と反応する他の既知の金属前駆体を含む蒸気に、アニーリングされたブロックコポリマーを晒す。例えば高純度N2でのパージステップによって、配位していない余分な金属前駆体を、アニーリングされたブロックコポリマーから除去し得る。PMMAのカルボニル基に結合している金属前駆体の第一モノマーが反応サイトを与え、その反応サイトに、例えば、原子層堆積(ALD,atomic layer deposition)プロセスでアニーリングされたブロックコポリマーに蒸気状で導入される物質が結合する。例えば、Al2O3ナノロッドを形成するため、ALD堆積装置中において、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーがAl(CH3)3/H2O蒸気に晒される。Al(CH3)3とPMMAのカルボキシル基との間で配位反応が生じ、これにH2O加水分解が続いて、PMMA領域中にAl‐OH種の第一モノマーを形成する。後続のAl(CH3)3/H2O暴露のALDサイクル(例えば、サイクル毎に300秒のN2パージと60秒のAl(CH3)3/H2O暴露)が、Al2O3の形成及びAl‐OH種の第一モノマーへの結合と、PMMA領域中のAl2O3シリンダーの層毎の構築をもたらす。行われるALDのサイクル数は、Al2O3シリンダーが所望の直径に成長するものとされ得る。例えば、10回のALDサイクル後には、略30nmの直径を有するAl2O3シリンダーが形成されている。
Al2O3シリンダーが所望の直径にまで成長した後、Al2O3シリンダーを、クリック化学基が結合することになる物質で機能化(官能化)させ、又は所望のクリック化学基で直接機能化(官能化)させ得る。一実施形態では、形成されたAl2O3シリンダーを含むPSマトリクスの端面を、例えばO2プラズマエッチングを用いてエッチングして、Al2O3シリンダーの端部を露出させ得る。例えばスパッタリングやCVDによって、所望の物質をAl2O3シリンダーの端部上に堆積させ得る。異なる物質をAl2O3シリンダーの異なる端部に堆積させて、異なる又は相補的なクリック化学基をAl2O3シリンダーの両端に結合させ得る。
次いで、例えば適切な溶媒中でのPSの溶解によって、PSマトリクスを除去して、Al2O3ナノスケール原料要素をリリースする。次いで、PSを溶解させるのに用いされた溶媒を濾過することによって、リリースされたAl2O3ナノスケール原料要素を収集する。
同様の方法を用いて、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーからTiO2シリンダーナノスケール原料要素が形成される。TiO2シリンダーナノスケール原料要素を形成するため、ALD堆積装置中で、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーをTiCl4/H2O蒸気に晒し得る。TiCl4が、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーのPMMA領域のカルボニル基と配位して、加水分解して、Ti‐OHを形成する。Ti‐OH種は、後続のTiCl4/H2O ALD堆積サイクルで反応サイトとして機能し、TiO2シリンダーナノスケール原料要素を構築する。
SiO2シリンダーナノスケール原料要素は、Al触媒SiO2 ALDによって、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーから形成され得る。まず、ALD堆積装置中で、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーをAl(CH3)3/H2O蒸気に晒す。Al(CH3)3とPMMAのカルボニル基との間で配位反応が生じ、これにH2O加水分解が続いて、PMMA領域中にAl‐OH種が形成される。シラノール蒸気及びN2パージを用いた後続のALDプロセス(例えば、400秒のシラノール暴露と1200秒のN2パージとを交互で行う)で、シラノールがAl‐OH種と反応して、SiO2を形成する。
ZnOシリンダーナノスケール原料要素は、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーから、Al触媒ZnO ALDによって形成され得て、これは、まず、Al(CH3)3/H2O ALDによって、アニーリングされたPS‐b‐PMMAのPMMA領域にAl‐OHを形成することと、後続のジエチル亜鉛ALDサイクル(例えば、300秒のジエチル亜鉛暴露と300秒のN2パージとを交互に行うこと)を含む。タングステンシリンダーナノスケール原料要素は、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーから、Al触媒W ALDによって形成され得て、これは、まず、Al(CH3)3/H2O ALDによって、アニーリングされたPS‐b‐PMMAコポリマーのPMMA領域にAl‐OH種を形成することと、後続のSi2H6種とWF6種とに対する交互のALD暴露とを含む。
上述のSISプロセスに多様な修正を行い得ることは理解されたい。PS‐b‐PMMAブロックコポリマーは、ナノスケール原料要素を形成するの利用可能なように異なるポリマー領域中に自己組織化するブロックコポリマーの単に一例である。SISプロセスによってナノスケール原料要素を形成するのに適した他の多様な既知のブロックコポリマーとして、例えば、ポリ(3‐ヘキシルチオフェン)‐b‐ペリレンジイミドアクリレート、ポリ(3‐ヘキシルチオフェン)‐b‐ビニルピリジン、ポリ(3‐ヘキシルチオフェン)‐b‐ラクチド、ポリスチレン‐b‐ポリエチレンオキシド、ポリ(スチレン‐b‐イソプレン)、ポリ(スチレン‐b‐ブタジエン‐b‐メチルメタクリレート)、ポリ(スチレン‐b‐(エチレン‐コ‐ブチレン)‐b‐メチルメタクリレート)、ポリ(スチレン‐b‐4‐ビニルピリジン)、ポリ(イソプレン‐b‐エチレンオキシド)、ポリ(スチレン‐b‐エチレンオキシド)、ポリ(スチレン‐b‐2‐ビニルピリジン)、ポリ(スチレン‐b‐ヒドロキシスチレン)、ポリ(スチレン‐b‐n‐ブチルメタクリレート)、ポリ(スチレン‐b‐フェロセニルジメチルシラン)、ポリ(スチレン‐b‐ジメチルシロキサン)、ポリ[スチレン‐b‐(エチレン‐alt‐プロピレン)]、ポリ(スチレン‐b‐エチレンブチレン‐b‐スチレン)、ポリ(スチレン‐b‐ブタジエン)を挙げることができる。これらブロックコポリマーのうち一部は、シリンダー状のロッド形状領域ではなくて、矩形のバー状領域1000(図9を参照)に自己組織化し得て、バー状のナノスケール原料要素が形成される。
PS‐b‐PMMAブロックコポリマーのPMMA領域中のカルボニル基と金属前駆体を反応させることに代えて又は加えて、他の金属前駆体を用いて、例えば、金属と配位子との配位、共有結合、又は他の相互作用によって、異なるブロックコポリマーのブロックコポリマー領域中の異なるポリマー単位と結合させ得る。例えば、ポリビニルピリジン(多くのブロックコポリマーにおいて一般的なブロック)のピリジン基は、例えば、Al(CH3)3、AlCl3、ZnCl2、CdCl2等の金属化合物と選択的に結合することができる。ポリアクリル酸(多くのブロックコポリマーにおいて一般的な他のブロック)のヒドロキシル基は、Al(CH3)3、TiCl4、又はZn(C2H5)2と反応して、共有結合を形成することができる。これら金属前駆体はいずれも、例えば上述のようなALDプロセスを用いて、ブロックコポリマーのブロック領域中の多様な物質の成長用の前駆体として使用可能である。
上述の原料要素を形成する方法のうちいずれにおいても、原料要素の機能化部分は一つ以上の長鎖分子(例えば、ポリエチレングリコール、ポリマー鎖、又はペプチド鎖)を含み得て、その長鎖分子は、原料要素の本体と、その原料要素に接続したクリック化学分子又はクリック化学基との間において、原料要素に結合される。長鎖分子は、クリック化学分子に対する柔軟性、及び/又は、クリック化学分子の異なる端部を異なる方向に向けて他の要素を異なる向きで原料要素に結合させる性能を与え得る。
「クリック」ケミストリー
「クリック」ケミストリーは、小ユニットを互いに結合させることによって素早く且つ確実に物質を生成するのに用いられる一種の化学合成を表す用語である。クリックケミストリーは、自然界の例に従う生成物を生成し、また小さなモジュールユニットを結合させることによって物質を生成する方法を記述する。この用語は、K.バリー・シャープレスによって1998年に作られ、スクリプス研究所のシャープレス、ハートマス・コルブ、M.G.フィンによって2001年に初めて完全に説明された。
「クリック」ケミストリーは、小ユニットを互いに結合させることによって素早く且つ確実に物質を生成するのに用いられる一種の化学合成を表す用語である。クリックケミストリーは、自然界の例に従う生成物を生成し、また小さなモジュールユニットを結合させることによって物質を生成する方法を記述する。この用語は、K.バリー・シャープレスによって1998年に作られ、スクリプス研究所のシャープレス、ハートマス・コルブ、M.G.フィンによって2001年に初めて完全に説明された。
一部実施形態では、「クリックケミストリー」反応を用いて、マイクロスケール又はナノスケール原料要素を基板及び/又は他のマイクロスケール又はナノスケール原料要素に結合させて、本願で開示される実施形態の構造を形成する。結合される原料の面又は側部(及び/又は結合される原料の面と基板の領域)を、相補的な化学基でパターン化し、本願では、A‐A’対、B‐B’対、C‐C’対等と称し(ここで、AはA’に結合するが、B、B’、C、C’には結合せず、BはB’には結合するが、A、A’、C、C’には結合しないといったようになる)、これらは互いに共有結合性の永続的なクリック反応で結合する。このような共有結合は、脱水、温度及び溶液条件の変動に対して安定であり、階層的構造アセンブリに対して高度にロバストな方法となる。
本願で開示されるアセンブリ方法及び構造の実施形態においては、多様な「クリック」反応を用い得る。一例では、アルキン(又はシクロオクチン)とアジド官能基が、このようなA‐A’対を表し、ヒュスゲン1,3‐双極性環状付加として知られている最も効率的で選択的で多用なクリック反応の一つを示す。他の例では、代替的なA‐A’対として、アルケン(つまり、マレイミド)に対するチオールのマイケル付加を用い得る。オキシムを形成するアルコキシアミンとアルデヒドの反応は、直交型反応である第三のA‐A’対を与える。アニシジン誘導体に対する置換フェノールの酸化カップリングは、第四のA‐A’対を与えるものとして用いられ得る。ビオチンとストレプトアビジン官能基も他のA‐A’対を表す。多様な他のA‐A’クリック化学対が当該分野において知られている。
クリック活性機能性部分の高い反応性は、大抵の従来のリソグラフィパターン化法とは相容れない。この制限を解消するため、一部実施形態は、従来のマイクロ製造法を含み、基板又はマイクロスケール若しくはナノスケール原料要素にクリック化学基及び/又はリンカー分子及びクリック化学基を結合させるのに用いられる基板又はマイクロスケール若しくはナノスケール原料要素の部分に中間物質を結合させる。一部実施形態では、基板の表面を、クリック化学物質に結合する前駆体が選択的に機能化(官能化)させる物質でパターン化する(例えば、金表面にはチオールが結合し、シリコン表面にはシランが結合し、酸化鉄や他の金属にはカルボキシル基が結合する)。マイクロスケール又はナノスケール原料要素が上述のようなモールドやテンプレートで製造される場合(例えば、モールド中の電気めっきピラーや、ポリマーマトリクス中でSISで形成された原料要素)、機能化(官能化)は、モールドからの取り外し前に、露出面において生じる。
構成ブロックのマイクロ製造及び化学的に異なる表面での機能化の後に、関連する「クリック」前駆体基を基板及び/又は原料の表面に移植して、所望の機能性を有する表面を生成する。クリック反応の特異性は、多数の反応を同時に行い、最終的なアセンブリプロセスの設計における最大限の多用性を与える可能性がある。一部実施形態では、全ての「クリック」反応を、自発的になるような条件下で行い得て、二つの表面が接触すると、直ちに反応して強力で永続的な結合を形成するようにし得る。他の実施形態では、例えば、高速反応が許容不可なレベルの欠陥をもたらす場合、触媒の添加(アジド‐アルキンの場合にはCu、チオール‐マレイミドの場合にはチオール還元剤、オキシム化学構造の場合にはアニリン、フェノール酸化結合の場合には酸化剤)を利用して、粒子が正しい構成にアニーリングされた場合のみに共有結合を生じさせる。この場合、弱い非共有結合性の相互作用、例えば、水素結合ドナー/アクセプタや静電相互作用を用いて、共有結合の形成前に、基板又は他の原料上における原料の適切な配向を促進することができる。
一部実施形態では、リンカーを用いて、クリック化学基を、基板上の金属パターン及び/又は原料要素に結合させることができる。リンカーは、表面機能化(つまりチオール)とクリックケミストリーとの間のスペーサと考えられ得る。リンカーの例として、アルキル、アリール、ヘテロ原子置換型アルキル鎖(溶解度、間隔及び又は機械的剛性を可変にする)が挙げられる。
[DNA選択的アセンブリ]
医療診断の分野では、DNA選択性センサが開発されていて、流体サンプル中の一種以上の病原体(例えば、ウィルスやバクテリア)の存在の検出を、その一種以上の病原菌に特有なDNA鎖の存在を感知することによって可能にしている。多様なDNA選択性センサは、センサ要素、例えば、対象の病原体のDNAと相補的なDNAの鎖の一部分が付着した金細線又は他のナノ構造を含む。センサ要素に付着したDNA鎖と相補的な塩基(A、C、G、T)の配列を有する病原体のDNA鎖が、センサ要素に付着したDNA鎖と接触すると、二つのDNA鎖が互いに結合して、センサ要素の機械的又は電気的な変化を生じさせ、それが検出されて、病原体の存在を示し得る。
医療診断の分野では、DNA選択性センサが開発されていて、流体サンプル中の一種以上の病原体(例えば、ウィルスやバクテリア)の存在の検出を、その一種以上の病原菌に特有なDNA鎖の存在を感知することによって可能にしている。多様なDNA選択性センサは、センサ要素、例えば、対象の病原体のDNAと相補的なDNAの鎖の一部分が付着した金細線又は他のナノ構造を含む。センサ要素に付着したDNA鎖と相補的な塩基(A、C、G、T)の配列を有する病原体のDNA鎖が、センサ要素に付着したDNA鎖と接触すると、二つのDNA鎖が互いに結合して、センサ要素の機械的又は電気的な変化を生じさせ、それが検出されて、病原体の存在を示し得る。
一部実施形態では、互いに選択的に結合する相補的DNA鎖の性能を利用して、本願で開示されるようなマイクロスケール又はナノスケール原料要素の結合方法を提供し得る。例えば、一部実施形態では、第一DNA鎖を、第一マイクロスケール原料要素を付着させたい箇所において基板に結合させる。第一DNA鎖と相補的なDNA鎖を、基板に結合させたい第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素の領域に結合させる。図10に示されるように、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1を溶液710中に入れて、基板705を溶液710に晒す。DFAプロセスを介して、例えば上述のような誘電泳動を用いて、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1を基板705上に整列及び配置する。第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1のうち一つの上のDNA鎖715が基板704上の相補的なDNA鎖720に近接すると、二つのDNA鎖が互いに引き合って、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1を基板705に結合させる。
一部実施形態では、相補的なDNA鎖を用いて第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1を基板705に結合させることに加えて、追加の結合機構725を提供する。例えば、相補的なDNA鎖に加えて、基板705とマイクロスケール又はナノスケール原料要素L1とのうち一方又は両方に追加の結合機構725を所望の結合箇所において与える。追加の結合機構725として、例えば、熱によって活性化可能な接着剤(ワックス、熱溶融接着剤等)又は一種以上の放射線(紫外線、化学線等)に晒されることによって活性化可能な接着剤、及び/又ははんだ物質(例えば、インジウム/金や鉛/錫の共晶合金)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。相補的なDNA鎖によって第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1が基板705に結合された後で、追加の結合機構を熱又は放射線の印加によって活性化させて、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1と基板705との間の結合を形成し得て、その結合は、相補的なDNA鎖同士の間の結合よりも強力であり得て、また、相補的なDNA鎖同士の間の結合よりも乾燥環境中においてロバストであり得る。
追加のマイクロスケール又はナノスケール原料要素を、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1上の所望の領域に結合された他のDNA鎖と相補的なDNA鎖で機能化させて、第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1を基板705に結合させるのと同様にして、追加のマイクロスケール原料要素を第一マイクロスケール又はナノスケール原料要素L1に結合させ得る。このDNAでアシストされる結合プロセスは、複数レベルのマイクロスケール又はナノスケール原料要素を所望の構造に結合させるように拡張可能である。
[ナノスケール原料から形成される三次元格子構造]
マイクロ及びナノスケール原料要素を本開示の方法で結合させて、特性、従来のエンジニアリング物質では得ることができない特性、例えば、強度対重量比、比重エネルギー吸収、剛性、強度対密度比、他の物理的、光学的、電気的、又は磁気的特性を有する格子構造を含むメタマテリアルを形成し得る。構造エアロゲルの具体的な例では、メタマテリアルエアロゲルを、本開示の方法に従って形成された直径30nm×長さ500nmのSiO2支柱から形成し、本開示の結合方法を用いてオクテットトラス構造に組み立て得る。図11を参照。このメタマテリアルエアロゲルの計算された物理的及び機械的特性が、従来のシリカエアロゲルのものと比較して以下の表1に示されている:
マイクロ及びナノスケール原料要素を本開示の方法で結合させて、特性、従来のエンジニアリング物質では得ることができない特性、例えば、強度対重量比、比重エネルギー吸収、剛性、強度対密度比、他の物理的、光学的、電気的、又は磁気的特性を有する格子構造を含むメタマテリアルを形成し得る。構造エアロゲルの具体的な例では、メタマテリアルエアロゲルを、本開示の方法に従って形成された直径30nm×長さ500nmのSiO2支柱から形成し、本開示の結合方法を用いてオクテットトラス構造に組み立て得る。図11を参照。このメタマテリアルエアロゲルの計算された物理的及び機械的特性が、従来のシリカエアロゲルのものと比較して以下の表1に示されている:
オクテットトラス構造は、従来のシリカエアロゲルのランダムなネットワークよりも高い熱抵抗を示すので、構造エアロゲルはより高い断熱性(より小さな熱伝導率)も示す。構造エアロゲルは、従来のエンジニアリング物質と比較して、断熱性と機械的強度の特異な組み合わせを示す(図12を参照)。こうした特性により、構造エアロゲルは、例えば航空機や宇宙船における断熱材用に望ましい物質となる。
マイクロ又はナノスケール原料要素から形成された他の格子構造は、従来の発泡体、エラストマーやハニカム構造と比較して、比重エネルギー吸収を10倍以上改善し、また、大幅に減少して伝わるインパルス及び接触応力を保証し得る。マイクロ又はナノスケール原料要素から形成された格子構造の動的なエネルギー吸収の改善は、調整可能な格子設計(例えば、物質、トポロジー、層化の選択)、非常に優れた格子支柱長さ、及び、相対密度を大幅に減少させる性能によるものであり、応力下での「緻密化」の発現を遅らせる。従って、マイクロ又はナノスケール原料要素から形成された格子構造は、例えば、個人用保護具(ヘルメット等の運動用具や軍用装甲)、車両衝突保護(脊椎損傷を低減するような速度変化緩衝体として機能するような座席におけるものや衝突表面におけるもの)、人、車両及び構造用のエアブラスト保護、人及び設備用の水中衝撃保護を含む実施形態において望ましいものとなり得る。
マイクロ又はナノスケール原料要素から三次元格子を形成する方法の一例が図13A〜図13Dに示されている。この例では、異なる要素間の結合は相補的なクリック化学基を介して行われるものとして説明されるが、異なる要素上の相補的なDNA鎖を追加的又は代替的に用いて異なる要素を結合させることができることを理解されたい。
図13Aは、画定されたパターンにおいてクリック化学基1105で機能化(官能化)された基板1100を示す。例えば、基板は、金ドットのアレイでパターン化され得て、それに、二官能性クリック化学分子の第一側、例えばチオール側が結合し得て、又は、露出されたシリコンアイランドのパターンを含み得て、それに、二官能性クリック化学分子のシラン側が結合し得る。二官能性クリック化学分子の第二側は、クリック化学基1105、例えばアジドや、上述の他のクリック化学基のうち一種を含み得る。他の実施形態では、クリック化学分子の第一側及び第二側の両方が同じ種のクリック化学基で機能化(官能化)され得る。一部実施形態では、クリック化学分子は、長鎖分子(例えば、ポリエチレングリコール(PEG,polyethylene glycol)、ポリマー鎖、ペプチド鎖)に接続された一種以上の化学基を含み得る。長鎖分子は、クリック化学分子に対する柔軟性、及び/又は、クリック化学分子の異なる端部を異なる方向に向ける性能を与え得る。
一部実施形態では、基板1100は導電性であり(例えば、高濃度ドープシリコン)、及び/又は、導電性薄膜、例えば、金属、インジウム錫酸化物又は他の導電性物質でコーティングされて、基板1100の表面にわたる電荷の広がりを促進し、基板1100の表面上の適所にマイクロスケール原料要素を整列、配向及び/又は移動させる電場の生成に役立てる。
第一組の原料要素1110、例えば、基板1100上のクリック化学基1105と相補的なクリック化学基1120で機能化(官能化)させた第一端1115を有するマイクロ又はナノスケールのロッド又はバーを含む流体に基板を晒す。例えば、第一組の原料要素1110の第一端1115はSiO2でコーティングされ得て(又は、第一組の原料要素1110がSiO2から形成され得る)、それに、分子の第二側上のアルキン基を有する二官能性クリック化学分子のシラン側が結合する。二官能性クリック化学分子(及び/又は、基板、リンカー要素、又は本開示の他の原料要素に結合したクリック化学分子)は、第一クリック化学基と第二クリック化学基との間(例えば、シランクリック化学基とアルキンクリック化学基)に結合した中間化学基、例えば、PEG、ポリマー鎖、ペプチド鎖も含み得る。マイクロ又はナノスケールのロッド又はバーは、第一端1115と同じクリック化学基1120、基板1100と同じクリック化学基1105、又は異なるクリック化学基1130のいずれかで機能化(官能化)された第二端1125を有する。例えば、マイクロ又はナノスケールのロッド又はバーの第二端1125は、金でコーティングされ得て、それに、アジドを含む第二側を有する二官能性クリック化学分子のチオール側が結合する。代わりに、マイクロ又はナノスケールのロッド又はバーの第二端1125は、SiO2でコーティングされるか、又はSiO2から形成され得て、それに、アルキン基を含む第二端を有する二官能性クリック化学分子のシラン側が結合する。
第一組の原料要素1110は、上述の指向性流体アセンブリ方法のうち一つを用いて基板1100上に整列され、又は、第一端1115上のクリック化学基1120が、基板1100に結合したクリック化学分子上のクリック化学基1105と接触するまで流体中で拡散される。例えば、クリック化学分子の自由端を、基板が浸漬される流体のブラウン運動によって生じる力に晒して、第一組の原料要素1110の自由端1115上のクリック化学基1120と接触するまで移動させ得る。クリック化学基1105と1120とが互いに結合して、所定のパターン及び向きで第一組の原料要素1110を基板1100に結合させる。一部実施形態では、基板1100上の異なる結合点は異なるクリック化学基を含み、第一組の原料要素1110のうち異なる要素が、第一組の原料要素1110のうち他のものと相補的なクリック化学基有し得て、また、異なる物質を含み得て、又は異なるサイズや形状を有し得る。異なる特性を有する第一組の原料要素1110のうち異なる要素は、基板1100上の異なる所定のスポットに結合し得る。
基板1100の機能化領域は、基板の機能化領域に結合する原料要素1110の部分(例えば、原料要素の端部の領域)の面積よりも大きな面積を有し得る。従って、複数の原料要素が、基板の個々の機能化領域に結合し得る。
次いで、例えば、結合した第一の組の原料要素1110を含む基板をリンカー要素1135を含む他の流体に浸漬することによって、第一組の原料要素1110の第二端1125がリンカー要素1135に晒される。リンカー要素1135は、第一組の原料要素1110の第二端1125上のクリック化学基1130と相補的なクリック化学基1140で機能化(官能化)された少なくとも一つの部分又は側を含む。リンカー要素1135は、球、又は所望の数の辺を有する三次元角柱、例えばキューブ(立方体)であり得る。一部実施形態では、リンカー要素1135は、長鎖分子(例えば、ポリエチレングリコール、ポリマー鎖、ペプチド鎖)に接続した一つ以上のクリック化学基を含み得る。長鎖分子の第一端の化学基は、リンカー要素1135の本体に結合し得て、一方、長鎖分子の他の側又は部分に結合したクリック化学基は、第一組の原料要素1110の第二端1125上のクリック化学基1130と相補的なクリック化学基1140を含み得る。長鎖分子は、リンカー要素1135に対する柔軟性、及び/又は、リンカー要素1135の異なる側又は部分上のクリック化学基が異なる方向を向く性能を与え得る。リンカー要素1135(又は関連する長鎖分子)の異なる側又は部分は、同じ又は異なるクリック化学基1140、1145で機能化(官能化)され得て、そのクリック化学基は、一部実施形態では、基板1100又は第一組の原料要素1110の第一端若しくは第二端に結合したのと同じクリック化学基1105であり得る。
リンカー要素1135は、リンカー要素1135に結合する異なる原料要素同士、又はその基同士の間の配位及び/又は相対角度を設定するようなサイズ及び/又は形状にされ得る。例えば、図13Cに示されるリンカー要素1135については、リンカー要素(この例では球として示される)が、六つの原料要素ロッドがその上に適合するようなサイズにされ得て、図13Dに示されるような所望の格子構造を形成することが望まれる。リンカー要素1135が大き過ぎる場合には、余分で不必要で更には望ましくないものとなり得る原料要素ロッドがリンカー要素1135に結合し得る。リンカー要素1135が小さ過ぎる場合には、所望の格子構造を形成するには不十分な数の原料要素がリンカー要素1135に付着し得る。リンカー要素1135の配位及び原料要素ロッドの接続長さの両方を適切に設定することを含む方法によって、所望の種類の格子又はトラス構造を作ることができる。
一部実施形態では、リンカー要素1135と原料要素との間の結合強度を制御し得て、特定の原料要素種間の結合、及び/又はリンカー要素1135の特定の側に対する結合が異なる強度を有し得る。例えば、特定の結合は簡単に曲がり得て(例えば、要素間のピン継手を模倣するように)、他の結合はより硬くなり得る。リンカー要素1135の異なる側、及び/又は異なるリンカー要素1135、及び/又は異なる原料要素に結合したクリック化学分子のクリック化学基間に配置された長鎖分子の長さ、物質又は他の特性を調整することによって、異なる結合強度を調整することができる。一部実施形態では、リンカー要素1135の異なる側、及び/又は異なるリンカー要素1135、及び/又は異なる原料要素のみに選択的に結合したクリック化学分子のクリック化学基間に長鎖分子が配置され得る。
上述の指向性流体アセンブリ方法のうち一つを用いて、拡散によって、又は、基板を浸漬させる流体の分子のブラウン運動の影響下において、リンカー要素1135を第一組の原料要素1110の第二端1125に接触させ、リンカー要素1135のクリック化学基1140が、第一組の原料要素1110の第二端1125上のクリック化学基1130に結合し、リンカー要素1135を第一組の原料要素1110の第二端1125に結合させる。一部実施形態では、異なるクリック化学基及び/又は異なる形状若しくは他の特性を有する異なるリンカー要素1135が、第一組の原料要素1110のうち異なる原料要素に結合し得る。
次いで、例えば、結合した第一組の原料要素1110及びリンカー要素1135を含む基板1100を第二組の原料要素1150を含む他の流体に浸漬することによって、リンカー要素1135の自由側が第二組の原料要素1150に晒される。第二組の原料要素1150は、第一組の原料要素1110と同じ又は異なる物質製のロッド又はバーであり得る。第二組の原料要素1150は、クリック化学基1160で機能化(官能化)させた第一端1155と、クリック化学基1170で機能化(官能化)させた第二端1165とを含む。クリック化学基1160及び1170は、一部実施形態において、同じ化学基であり、また、第一組の原料要素1110の第一端及び第二端に結合したクリック化学基1120、1130と同じ又は異なるものであり得る。第二組の原料要素1150の第一端1155及び第二端1165のクリック化学基1160、1170は、リンカー要素1135の自由側上のクリック化学基1140、1145と相補的である。一部実施形態では、クリック化学基1160、1170は、一以上の長鎖分子、例えば、ポリエチレングリコール、一以上のポリマー鎖を介して、第二組の原料要素1150の第一端1155及び第二端1165に結合される。
上述の指向性流体アセンブリ方法のうち一つを用いて、又は拡散によって、第二組の原料要素1150の第一端1155及び第二端1165をリンカー要素1135と接触させると、リンカー要素1135のクリック化学基1140、1145が、第二組の原料要素1150の第一端1155及び第二端1165上のクリック化学基1160、1170に結合し、第二組の原料要素1150の第一端1155及び第二端1165をリンカー要素1135に結合させ、その延長線上として第一組の原料要素1110に結合させる。第二組の原料要素1150のうち異なる要素は異なる特性、例えば、物質及び/又は形状及び/又はサイズを有し得て、異なるクリック化学基を有し得て、また、異なるリンカー要素1135及び第一組の原料要素1110の異なる原料要素に結合し得る。
第二組の原料要素1150は、リンカー要素1135を介して第一組の原料要素1110に結合し得て、第二組の原料要素1150の長手方向軸が第一組の原料要素1110の長手方向軸に実質的に垂直になるようにし得る。第一原料要素1110及び第二原料要素1150は互いに格子構造で結合され得る。第一原料要素1110及び第二原料要素1150は、形成したい格子又はトラス構造の種類に応じた異なる角度で互いに結合され得る。第一原料要素1110と第二原料要素1150との間の結合の角度は、第一原料要素1110及び第二原料要素1150の端面の角度、及び/又は、第一原料要素1110及び/又は第二原料要素1150の端部上のクリック化学基の向き、及び/又は、リンカー要素1135の形状、及び/又は、リンカー要素1135上のクリック化学基の向きによって、決定され得る。異なるクリック化学基間の結合角度は、第一原料要素1110と第二原料要素1150との間の結合の向きにも影響し得る。第二組の原料要素1150のうち複数の原料要素が、このようにして第一組の原料要素1110のうち各々の各端部に結合し得る。第一原料要素1110及び第二原料要素1150の結合パターンはメソ構造パターン、つまり、ナノスケールの寸法領域とマイクロスケールの寸法領域との間のメソスケール領域において、特徴寸法、例えば、結合した原料要素の繰り返しパターンの寸法を有するパターンとみなされ得る。
少なくともいくつかのリンカー要素1135の少なくとも一つの追加側は自由なままとされ、クリック化学基1145を含み、それに追加の原料要素が結合し得る。リンカー要素1135の追加側は、基板1100に結合したクリック化学基と同じ機能を果たし得て、結合させたい第一原料要素、第二原料要素及びリンカー要素の追加層を与える。次いで、第一原料要素、第二原料要素及びリンカー要素の追加層が結合され得て、所望のサイズを有する格子又はトラス構造を構築し得る。例えば、上述の方法に従って原料要素の複数層を結合させて、図11に示されるようなオクテットトラスを形成し得る。
一部実施形態では、リンカー要素と、リンカー要素間に結合した原料要素と、開放クリック結合とを有するメソ構造ユニットセルを、上述のようにしてアセンブリして、次いで、上述のような層で基板上にアセンブリすること、又は基板無しで上部構造にアセンブリすることができる。
一部実施形態では、リンカー要素1135を省いて、多様な原料要素を互いに直接結合させて、格子又はトラス構造を形成し得ることを理解されたい。原料要素の異なる部分及び/又は側を異なるクリック化学基で機能化(官能化)させて、結合した原料要素の向きを制御し得る。一組の原料要素のうち複数の原料要素が、第二組の原料要素の個々の原料要素の個々の機能化部分に結合し得る。
基板110は全ての実施形態において必要なものではない。一部実施形態では、異なる原料要素が溶液中に同時に導入され得て、相補的なクリック化学基(及び/又は相補的なDNA鎖)を介して互いに結合し、原料要素を基板上に支持する必要なく、格子又はトラス構造を形成し得る。第二組の原料要素は、溶液中で第一組の原料要素の第一端及び第二端の両方(又は、第一組の原料要素の第一端及び第二端上のリンカー要素)に結合し、三次元格子又はトラス構造の少なくとも一部分を形成し得る。追加の原料要素は第一原料要素又は第二原料要素のリンカー要素の他の部分に結合して、格子又はトラス構造を構築し得る。このプロセスは、格子又は格子構造が所望のサイズになるまで繰り返され得る。
更に、クリック化学基を含む結合サイトは、格子又はトラス構造を形成するのに用いられる原料要素の端部上だけではなく、原料要素の中間部分又は側部上にも存在し得て、原料要素が端部上の第一部分及び第二部分だけではなくて、それら端部から外れた第三部分においても互いに結合し得るようになることを理解されたい。
他の態様では、マイクロ又はナノサイズの角柱を用いて、有用な特性を有する三次元構造、例えば電子的構造を形成し得る。具体的な一例では、本開示の方法に従って製造された矩形の角柱、ブロック、又はキューブ状の原料要素を用いて、インダクタを形成し得る。インダクタは、異なる二種類の原料要素、即ち、絶縁体、例えばSiO2を備える又はから成る原料要素と、導体、例えば銅やアルミニウムを備える又はから成る原料要素とから形成される。原料要素は、高さ、長さ、及び幅が略1μmのものとなり得るが、より小さな寸法も利用可能であり、また、原料要素は必ずしも等しい、高さ、長さ及び幅の寸法を有する必要なない。原料要素は、異なる面上の異なるクリック化学基で機能化(官能化)され、他の原料要素のうちどれが結合するのかを制御するようにする。図14Aに示されるように、第一層の原料要素は互いに結合して、インダクタの第一層を形成し得る。原料要素は絶縁性原料要素1155と導電性原料要素1160とを含む。一実施形態では、原料要素を流体媒体中に導入し、上述の指向性流体アセンブリ方法のうち一つによって互いに接触するように動かし、又は異なる原料要素の面上の相補的なクリック化学基が互いに接触して原料要素を互いに結合するまで流体中で拡散させ得る。追加層の原料要素を加えて、図14B〜図14Dに示されるように一層ずつインダクタを構築し得る。最終的なインダクタ構造は図14Eに示されているが、図14Eでは明確性のため導電性原料要素1160のみが示されている。他のマイクロ又はナノスケールの電気又は電子デバイス、例えば、抵抗器、キャパシタ、トランジスタを同様の方法で製造し、更には、本開示の指向性流体アセンブリ及びクリック化学結合を用いて互いに接触させて三次元電気回路を形成し得る。一部実施形態では、アセンブリされたマイクロ又はナノスケールの電気又は電子デバイスを、相補的なクリック化学物質(又は相補的なDNA鎖)を用いたアセンブリ後にアニーリングして、原料要素間の結合強度及び/又は導電率を増加させ得る。
多数の異なる種類の格子又はトラス構造を、本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成し得る。格子又はトラス構造の種類は、因子、例えば、利用可能な異なるマイクロ又はナノスケール原料要素の形状及びサイズ、マイクロ又はナノスケール原料要素上のクリック化学基の配向、リンカー要素の形状及びサイズ、リンカー要素上の異なるクリック化学基の配向を含む因子に基づいて決定され得る。
本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能な格子の種類の一つは、オクテットトラス構造である。オクテットトラスは、図11に示されるようなユニットセルAを有する。オクテットトラス構造は、リチャード・フラーによって1961年に特許文献1において建築構造として初めて説明された。その構造は、面心立方(fcc,face‐centered cubic)格子を有し、八面体コアの面上に分布した八つの四面体を有する。各ユニットセル又はノード(節)は12個の支柱を有する。オクテットトラス構造は、多くの他の格子又はトラス構造のものよりも顕著に高い剛性対密度比を示す。
本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能な他の種類の格子は、オーゼティック(auxetic)物質格子を含む。オーゼティック物質は、負のポアソン比を有し、図15Aに示されるように、長さ方向に引っ張ると幅方向に膨らむ物質である。図15Aに示される構造は、リエントラント(re‐entrant)型構造に分類される。本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能な多様なリエントラント型オーゼティック物質格子が図15A〜図15Eに示されている。これらの構造は、図示を簡単にするため二次元で図示されている。
本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能なオーゼティック物質格子は、キラル物質格子を含み得る。キラル構造中のキラルユニットは、回転対称性を有してノードに取り付いたリガメントを含む。その構造は左巻き又は右巻きであり得る。ノードがリガメントの両側に存在する場合、その構造はキラルであるとみなされる。ノードがリガメントの同じ側に存在する場合、その構造はアンチキラル(ラセミ)であるとみなされる。「メタキラル」構造は、ノードに取り付いたリガメントを含むが、回転対称性の次数が、各ノードに取り付いたリガメントの数と異なるものである。トリキラル構造の一例が図16Aに示されている。テトラキラル構造の一例が図16Bに示されている。ヘキサキラル構造の一例が図16Cに示されている。アンチトリキラル構造の一例が図16Dに示されている。アンチテトラキラル構造の一例が図16Eに示されている。これら構造は、図示を簡単にするため二次元で示されている。製造を簡単にするため、本開示のキラル物質格子の円形部分を、例えば図16Fに示されるように、矩形又は他の多角形に置き換えてもよい。
本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能なオーゼティック物質格子は回転ユニットを含み得る。マイクロ又はナノスケールユニットは回転結合を有して結合されて、図17A及び図17Bに示されるように歪みを印加するとユニットが回転するようにし得る。
本開示のマイクロ又はナノスケール原料要素から形成可能な更なるオーゼティック構造は、繊維によって結合されたノジュールを含み得る。図18に示されるように、ノジュールが長さ方向に引っ張られると、繊維が幅方向においてノジュールを互いに離す。
本発明の少なくとも一つの実施形態の複数の態様について説明してきたが、多様な変更、修正及び改良が当業者に容易に思い浮かぶことは理解されたい。そのような変更、修正及び改良は本開示の一部であり、本発明の要旨及び範囲内にあるものである。従って、上記説明及び図面は単に例示的なものである。
Claims (50)
- マイクロ/ナノスケール物体を三次元構造にアセンブリする方法であって、
基板の表面上に第一機能性部分のパターンを形成することと、
第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において前記第一機能性部分と相補的な第二機能性部分で機能化され、且つ第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第三機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第一懸濁液に前記基板の表面を接触させることと、
前記第一懸濁液中の前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記基板の表面に対して整列させることと、
前記基板の表面上に前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを形成するように前記第二機能性部分を前記第一機能性部分に結合させることを促進することと、
マイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第一部分上において前記第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化され、且つマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分上において第五機能性部分で機能化されたマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素を含む第二懸濁液に前記基板の表面上の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを接触させることと、
前記第二懸濁液中の前記マイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第一部分を第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列させることと、
前記基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の第二メソ構造を形成するように前記第四機能性部分を前記第三機能性部分に結合させることを促進することと、
第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において前記第五機能性部分と相補的な第六機能性部分で機能化され、且つ第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第七機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液に前記基板の表面上のマイクロ/ナノスケール原料要素の第二メソ構造パターンを接触させることと、
前記第三懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組のマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分に対して整列させることと、
前記第三懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組のマイクロ/ナノスケールリンカー原料要素の第二部分に対して整列させることと、
前記基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を形成するように前記第六機能性部分及び前記第七機能性部分を前記第五機能性部分に結合させることを促進することと、を備える方法。 - 前記第四機能性部分を前記第三機能性部分に結合させることを促進すること及び前記第六機能性部分及び前記第七機能性部分を前記第五機能性部分に結合させることを促進することが、前記第四機能性部分と前記第五機能性部分と前記第六機能性部分と前記第七機能性部分のうち少なくとも一つの一部を未結合のままにすることを含む、請求項1に記載の方法。
- 第三マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液に前記マイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を接触させることと、
前記第三懸濁液中の前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に対して整列及び位置決めすることと、
前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合させることを促進することと、を更に備える請求項1に記載の方法。 - マイクロ/ナノスケール原料要素の部分が、相補的なクリック化学基によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される、請求項3に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分が、相補的なDNA鎖によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される、請求項3に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることが、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む、請求項3に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることが、前記第三懸濁液中の流体の流れを用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む、請求項3に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることが、磁場を用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む、請求項3に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることが、光トラップを用いて、マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素とのうち一つ以上が、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を含む、請求項3に記載の方法。
- 前記ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上が、炭素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子と、ホウ素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子と、これらの組み合わせとのうち一つを備える、請求項10に記載の方法。
- 前記ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上が、相補的なクリック化学基によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される、請求項10に記載の方法。
- 前記ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上が、相補的なDNA鎖によって他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合される、請求項10に記載の方法。
- 炭素のナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることが、電気泳動力及び/又は誘電泳動力を生じさせる電場によって、ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上の部分を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に対して整列及び位置決めすることを含む、請求項10に記載の方法。
- (i)前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記基板に結合させることと、(ii)前記第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分に結合させることと、(iii)前記第二組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に結合させること、(iv)前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第三部分に結合させることと、(v)前記ナノチューブとナノロッドとナノ粒子とのうち一つ以上を他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合させることとのうち少なくとも二つを同時に行う請求項10に記載の方法。
- 前記第三機能性部分が前記第一機能性部分と同じである、請求項1に記載の方法。
- 前記第四機能性部分が前記第二機能性部分と同じである、請求項16に記載の方法。
- 前記第三機能性部分が前記第二機能性部分と同じである、請求項1に記載の方法。
- 前記第四機能性部分が前記第一機能性部分と同じである、請求項18に記載の方法。
- 相補的な機能性部分間の結合を促進することが、前記相補的な機能性部分に熱エネルギーを印加すること、前記相補的な機能性部分に放射線を印加すること、前記相補的な機能性部分を化学触媒に晒すこと、及び/又は、前記相補的な機能性部分が浸漬される懸濁液のpHを変化させることとのうち一つによって前記相補的な機能性部分間の結合を生じさせることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記基板の表面上に前記第一機能性部分のパターンを形成するようにリンカー分子を有する前記第一機能性部分を前記基板の表面に結合された接着要素に結合させることを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記接着要素が金属とシリコンと二酸化シリコンとのうち一つ以上を備える、請求項21に記載の方法。
- リンカー分子を有する機能性部分をマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合された接着要素に結合させることを更に備える請求項1に記載の方法。
- 複数のマイクロ/ナノスケール原料要素を単一の他のマイクロ/ナノスケール原料要素の部分に結合させることを促進することを更に備える請求項1に記載の方法。
- 複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素を基板の表面上の第一機能性部分を含む個々の結合サイトに結合させることを促進することを更に備える請求項1に記載の方法。
- 前記第二機能性部分を前記第一機能性部分に結合させることを促進することが、第一クリック化学基を相補的なクリック化学基に結合させることを促進することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第二機能性部分を前記第一機能性部分に結合させることを促進することが、第一DNA鎖を相補的なDNA鎖に結合させることを促進することを含む、請求項1に記載の方法。
- 追加の結合機構によって、前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素を前記基板の表面に結合させることを更に備える請求項27に記載の方法。
- ブロックコポリマーの領域の逐次浸透合成によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを更に備える請求項1に記載の方法。
- 多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、
前記ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するように前記ブロックコポリマーをアニーリングすることと、
前記ポリマー領域のうち一つを除去することと、
残留しているポリマー領域を前記多層基板の上層中までエッチングすることと、
前記多層基板の上層のエッチングされた部分を前記多層基板の第二層から分離することによって、マイクロ/ナノスケール原料要素を得ることと
を備える方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを更に備える請求項1に記載の方法。 - 多層基板の上層の上又は中に画定された領域に液相のブロックコポリマーを堆積させることと、
前記ブロックコポリマーを複数の整列したポリマー領域に分離することを促進するように前記ブロックコポリマーをアニーリングすることと、
逐次浸透合成を用いて、前記ポリマー領域のうち一つを無機物質に変換することと、
前記無機物質をエッチングマスクとして用いて、前記ポリマー領域のうち他の一つを前記多層基板の上層中までエッチングすることと、
前記多層基板の上層のエッチングされた部分を前記多層基板の第二層から分離することによって、マイクロ/ナノスケール原料要素を得ることと
を備える方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを更に備える請求項1に記載の方法。 - 前記多層基板の上層のエッチングされた部分を前記多層基板の第二層から分離することの前に、
マイクロ/ナノスケール原料要素上にフォトレジストの層を堆積させ、前記マイクロ/ナノスケール原料要素の部分を露出するように前記フォトレジストの層をパターン化することと、
前記マイクロ/ナノスケール原料要素の露出された部分をエッチングすることによって、前記マイクロ/ナノスケール原料要素の長さを定めることと、
前記フォトレジスト中に埋め込まれている前記マイクロ/ナノスケール原料要素の露出された端部を機能化させることと、
前記フォトレジストを除去することと、を更に備える請求項31に記載の方法。 - マイクロ/ナノスケール原料要素を形成することが、略5nmから略30nmまでの間の少なくとも一つの寸法を有するマイクロ/ナノスケール原料要素を形成することを含む、請求項29から32のいずれか一項に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に第一結合物質を堆積させることと、
前記第一結合物質に親和性を有する化学基を含む多官能性クリック化学物質に前記第一結合物質を晒すことと
を含む方法によって、マイクロ/ナノスケール原料要素を機能性部分で機能化させることを更に含む請求項1に記載の方法。 - 前記マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に第一結合物質を堆積させることが、前記マイクロ/ナノスケール原料要素の部分上に金とシリコンと二酸化シリコンとのうち一つを堆積させることを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記多官能性クリック化学物質に前記第一結合物質を晒すことが、前記第一結合物質に親和性を有する化学基と、前記第一結合物質に親和性を有する化学基に結合された中間化学基と、第二結合物質に親和性を有する更なる化学基とを含む化学物質に前記第一結合物質を晒すことを含む、請求項34に記載の方法。
- 前記中間化学基がポリマー鎖を備える、請求項36に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール物体を三次元格子又はトラス構造にアセンブリする方法であって、
第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において第一機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素と、リンカー要素の第一部分上の前記第一機能性部分と相補的な第二機能性部分及びリンカー要素の第二部分上の第三機能性部分を含むリンカー要素とを含む第一懸濁液を形成することと、
前記第一懸濁液中の前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記リンカー要素の第一部分に対して整列させることと、
前記リンカー要素を前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分に結合させるように前記第二機能性部分を前記第一機能性部分に結合させることを促進することと、
第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分及び第二部分上において前記第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第二懸濁液に前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素及び前記リンカー要素を接触させることと、
前記第二懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組のリンカー要素の第二部分に対して整列させることと、
前記第二懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組のリンカー要素の第二部分に対して整列させることと、
三次元格子又はトラス構造を形成するように前記第四機能性部分を前記第三機能性部分に結合させることを促進することと、を備える方法。 - 第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において、前記リンカー要素のうち少なくとも一部の第三部分上の第六機能性部分と相補的な第五機能性部分で機能化された第三マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第三懸濁液に前記三次元格子又はトラス構造を接触させることと、
前記第三懸濁液中の前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記リンカー要素のうち少なくとも一部の第三部分に対して整列させることと、
前記第五機能性部分を前記第六機能性部分に結合させることを促進することと、を更に備える請求項38に記載の方法。 - 前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素とをオーゼティックトラス構造に整列させることを備える請求項39に記載の方法。
- マイクロ/ナノスケール物体の三次元格子又はトラス構造体であって、
リンカー要素の第一部分に結合した第一部分を有する複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素と、
前記リンカー要素の第二部分に結合した第一部分と、前記リンカー要素の第三部分に結合した第二部分とを有する複数の第二マイクロ/ナノスケール原料要素と、を備える構造体。 - 前記複数の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分が、クリック化学結合によって前記リンカー要素の第一部分に結合している、請求項41に記載の構造体。
- 前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素のうち一方の少なくとも一部が、少なくとも略20:1の長さ:幅アスペクト比を有する、請求項41に記載の構造体。
- 各第一マイクロ/ナノスケール原料要素に結合した複数の第二マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える請求項41に記載の構造体。
- 前記リンカー要素の第四部分に結合した第一部分を有する複数の第三マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える請求項41に記載の構造体。
- 前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分がクリック化学結合によって前記リンカー要素の第四部分に結合している、請求項45に記載の構造体。
- 前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素と前記第三マイクロ/ナノスケール原料要素とがオーゼティックトラスで配置されている、請求項45に記載の構造体。
- 各第二マイクロ/ナノスケール原料要素に結合した複数の第三マイクロ/ナノスケール原料要素を更に備える請求項41に記載の構造体。
- マイクロ/ナノスケール原料要素を三次元構造にアセンブリする方法であって、
基板の表面上に第一機能性部分のパターンを形成することと、
第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分上において前記第一機能性部分と相補的な第二機能性部分で機能化され、且つ第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分上において第三機能性部分で機能化された第一マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第一懸濁液と前記基板の表面を接触させることと、
前記第一懸濁液中の前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を前記基板の表面に対して整列させることと、
前記基板の表面上に前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを形成するように前記第二機能性部分を前記第一機能性部分に結合させることを促進することと、
第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分及び第二部分上において前記第三機能性部分と相補的な第四機能性部分で機能化された第二マイクロ/ナノスケール原料要素を含む第二懸濁液と前記基板の表面上の前記第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第一メソ構造パターンを接触させることと、
前記第二懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第一部分を第一組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列させることと、
前記第二懸濁液中の前記第二マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分を第二組の第一マイクロ/ナノスケール原料要素の第二部分に対して整列させることと、
前記基板の表面上にマイクロ/ナノスケール物体の三次元構造を形成するように前記第四機能性部分を前記第三機能性部分に結合させることを促進することとを備える方法。 - 前記第四機能性部分を前記第三機能性部分に結合させることを促進することが、前記第四機能性部分をリンカー要素に結合させることを促進することと、前記リンカー要素を前記第三機能性部分に結合させることを促進することとを含む、請求項49に記載の方法。
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