RU2421394C1 - Method to form ordered nanostructures on substrate - Google Patents
Method to form ordered nanostructures on substrate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421394C1 RU2421394C1 RU2009137653/28A RU2009137653A RU2421394C1 RU 2421394 C1 RU2421394 C1 RU 2421394C1 RU 2009137653/28 A RU2009137653/28 A RU 2009137653/28A RU 2009137653 A RU2009137653 A RU 2009137653A RU 2421394 C1 RU2421394 C1 RU 2421394C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- nanostructures
- space
- cloud
- drops
- Prior art date
Links
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для изготовления упорядоченных наноструктур, используемых в микро- и наноэлектронике, оптике, в том числе нанофотонике, биологии и медицине.The invention relates to the field of nanotechnology and can be used for the manufacture of ordered nanostructures used in micro- and nanoelectronics, optics, including nanophotonics, biology and medicine.
Более конкретно, способ относится к способам формирования сложных мозаичных картин из наночастиц на подложке.More specifically, the method relates to methods for forming complex mosaic patterns of nanoparticles on a substrate.
Известно, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять такое вещество в очень малой части. Тщательно очищенные наночастицы могут быть организованы с образованием упорядоченных структур, и такие строго организованные наноструктуры зачастую проявляют свойства, необычные для данного вещества. Тип организации наночастиц и формируемая структура зависят от условий синтеза, диаметра частиц, вида внешнего воздействия на структуру.It is known that a substance can have completely new properties if you take such a substance in a very small part. Carefully purified nanoparticles can be organized to form ordered structures, and such strictly organized nanostructures often exhibit properties unusual for a given substance. The type of organization of nanoparticles and the structure formed depend on the synthesis conditions, particle diameter, type of external influence on the structure.
В настоящее время в электронике одна из основных технологий получения наноструктур - литография. Для промышленных целей в настоящее время широкое применение получил метод микролитографии, который позволяет формировать на поверхности подложки плоские наноструктурные объекты размером от 50 нм. Именно этот способ широко применяется в современной микроэлектронике. Известен способ формирования структур в микролитографии, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, проведение экспонирования рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала, удаление резиста с регламентированными параметрами процесса (RU 2072644 С1, 27.01.1997, H05K 3/06) [1]. Способ позволяет уменьшить размеры элементов формируемых наноструктур и позволяет изготовить наноструктуры с размерами элементов или зазоров между ними 0,1-0,5 мкм за счет именно регламентированных в способе параметров проведения процесса литографии.Currently, in electronics, one of the main technologies for producing nanostructures is lithography. For industrial purposes, the microlithography method, which allows the formation of flat nanostructured objects with a size of 50 nm or more, has been widely used at present. This method is widely used in modern microelectronics. A known method of forming structures in microlithography, including applying a positive electron resist on a substrate, exhibiting a pattern, developing, applying an additional layer of material, removing a resist with regulated process parameters (RU 2072644 C1, 01/27/1997, H05K 3/06) [1]. The method allows to reduce the size of the elements of the formed nanostructures and allows to produce nanostructures with the dimensions of the elements or the gaps between them of 0.1-0.5 microns due to the parameters of the lithography process that are regulated in the method.
Однако процесс микролитографии требует высоких температур, высокой степени вакуума и химической обработки. Это сразу же исключает использование биологических и органических материалов (вследствие их повреждения и полного разрушения), что важно не только в биологии и медицине, но и в областях техники, которые ранее использовали только неорганические материалы. Уже сегодня рынок органических светодиодов составляет около 3 млрд долларов и, по оценкам экспертов, рынок органической нанофотоники к 2015 г. увеличится в 10 раз. Это говорит о весьма широких и быстро растущих сегментах рынка новых технологий, для развития которых внедрение данного метода может быть весьма эффективным. Таким образом, одной из важнейших задач, поставленных развитием современной техники перед нанотехнологиями, является развитие новых, щадящих методов создания микро- и наноструктур, исключающих применение высоких температур и агрессивных сред.However, the microlithography process requires high temperatures, a high degree of vacuum and chemical treatment. This immediately excludes the use of biological and organic materials (due to their damage and complete destruction), which is important not only in biology and medicine, but also in the fields of technology that previously used only inorganic materials. Already today the market of organic LEDs is about $ 3 billion and, according to experts, the market of organic nanophotonics will increase 10 times by 2015. This indicates a very broad and rapidly growing market segments of new technologies, for the development of which the introduction of this method can be very effective. Thus, one of the most important tasks posed by the development of modern technology to nanotechnology is the development of new, gentle methods for creating micro- and nanostructures that exclude the use of high temperatures and aggressive environments.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в том, что предлагаемый способ позволяет расширить класс материалов, из которых можно формировать упорядоченные наноструктуры (включая, в том числе, органические материалы и биологические ткани и объекты) с обеспечением точности воспроизведения нанообъектов на подложке выше или сопоставимой с имеющимися методами. Заявленный способ позволяет стабильно проводить процесс формирования в одном технологическом пространстве. При этом заявляемым способом могут быть изготовлены однослойные и многослойные наноструктуры (двухмерные, трехмерные), в том числе содержащие слои различного состава материалов.The technical result to which the present invention is directed is that the proposed method allows to expand the class of materials from which ordered nanostructures can be formed (including, but not limited to, organic materials and biological tissues and objects), ensuring the accuracy of reproduction of nano-objects on a substrate higher or comparable to available methods. The claimed method allows to stably carry out the formation process in one technological space. Moreover, the claimed method can be made single-layer and multilayer nanostructures (two-dimensional, three-dimensional), including containing layers of different composition of materials.
Указанный технический результат достигается тем, что подложку и исходный субстрат, содержащий наночастицы, располагают с образованием пространства между ними, в указанном пространстве распыляют субстрат в виде облака капель, каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну наночастицу, при этом создание субстрата в виде распыленного облака капель осуществляют посредством ультразвукового воздействия при размещении источника ультразвукового воздействия относительно подложки с возможностью организации распыленного облака капель в указанном пространстве, а управление движением в указанном пространстве и осаждением капель на подложку осуществляют воздействием на них внешними электрическими и/или магнитными полями.The indicated technical result is achieved in that the substrate and the initial substrate containing nanoparticles are arranged to form a space between them, a substrate is sprayed in the indicated space in the form of a cloud of droplets, each of which contains at least one nanoparticle, while creating a substrate in the form the atomized cloud of droplets is carried out by means of ultrasonic action when placing the source of ultrasonic action relative to the substrate with the possibility of organizing the atomized cloud of droplets in azannom space and control the movement in said space and depositing droplets on a substrate is carried out on the influence of these external electric and / or magnetic fields.
В исходный субстрат может быть введен наполнитель.A filler may be added to the starting substrate.
Формирование упорядоченных наноструктур на подложке может осуществляться в условиях вакуума.The formation of ordered nanostructures on a substrate can be carried out under vacuum.
Заявленный способ формирования упорядоченных наноструктур на подложке может быть реализован, например, с помощью нижеописанного устройства. Такое устройство должно содержать герметичную камеру, либо содержащую очищенный газ (в том числе воздух), либо вакуумированную (степень очистки или вакуумирования определяется конкретными задачами, в частности размером получаемых структур), оснащенную экраном для создания электростатической защиты, модуль формирования облака (взвеси) капель, содержащий источник ультразвукового воздействия (ультразвуковых колебаний) для распыления исходного субстрата, наносимого на поверхность модуля, устройство для внесения субстрата на поверхность модуля и устройство для координатной ориентации подложки в камере. При этом подложка и содержащий наночастицы субстрат располагаются в камере с образованием пространства между ними, с возможностью распыления субстрата с образованием облака капель в данном пространстве. Также устройство для реализации заявленного способа должно содержать систему электродов, обеспечивающую манипулирование (управление движением, перемещением, осаждением) капель в указном пространстве. Система электродов должна быть оснащена модулем управления сигналами, подаваемыми на электроды. Посредством данной системы электродов осуществляется воздействие внешними электрическими и/или магнитными полями на капли, содержащие наночастицы. Расположение и конфигурация электродов определяют ориентацию векторов электрической и магнитной напряженности поля. Устройство для реализации заявленного способа также должно содержать оптический микроскоп, позволяющий анализировать и контролировать процесс формирования наноструктуры на подложке.The claimed method of forming ordered nanostructures on a substrate can be implemented, for example, using the device described below. Such a device must contain a sealed chamber, either containing purified gas (including air), or evacuated (the degree of purification or evacuation is determined by specific tasks, in particular, the size of the resulting structures), equipped with a screen for creating electrostatic protection, a cloud formation module (suspension) of drops containing a source of ultrasonic exposure (ultrasonic vibrations) for spraying the initial substrate deposited on the surface of the module, a device for applying the substrate to the surface module and device for the coordinate orientation of the substrate in the camera. In this case, the substrate and the substrate containing nanoparticles are located in the chamber with the formation of a space between them, with the possibility of spraying the substrate with the formation of a cloud of drops in this space. Also, a device for implementing the inventive method should include an electrode system that provides manipulation (control of movement, movement, deposition) of droplets in the indicated space. The electrode system must be equipped with a module for controlling the signals supplied to the electrodes. Through this system of electrodes, external electric and / or magnetic fields are applied to droplets containing nanoparticles. The location and configuration of the electrodes determine the orientation of the vectors of electric and magnetic field strength. A device for implementing the inventive method should also contain an optical microscope that allows you to analyze and control the process of formation of a nanostructure on a substrate.
Параметры источника ультразвукового воздействия должны при распылении обеспечивать заданный размер капель. Ультразвуковое воздействие может быть осуществлено посредством объемных или поверхностных акустических волн (ультразвуковая волна может быть сформирована, например, с помощью пьезоэлектрического преобразователя). Заданный размер капель достигается при задании частоты переменного электрического напряжения, а достижение необходимой скорости формирования капель достигается заданием амплитуды приложенного электрического напряжения. В частности, знание скорости формирования капель необходимо для расчета толщины формируемых наноструктур, и, соответственно, для определения времени их формирования.The parameters of the source of ultrasonic exposure during spraying should provide the specified droplet size. Ultrasonic exposure can be carried out by means of volumetric or surface acoustic waves (an ultrasonic wave can be generated, for example, using a piezoelectric transducer). The predetermined droplet size is achieved by setting the frequency of the alternating electric voltage, and the required droplet formation rate is achieved by setting the amplitude of the applied electric voltage. In particular, knowledge of the droplet formation rate is necessary for calculating the thickness of the formed nanostructures, and, accordingly, for determining the time of their formation.
Параметры напряжения, подаваемого на электроды, т.е. характеристики создаваемых электрических и/или магнитных полей, определяются требуемой картиной упорядочения наноструктуры. Задание управляющих сигналов (параметров напряжения), подаваемых на электроды, в соответствии с картиной упорядочения наноструктуры позволяет формировать в пространстве нахождения облака капель электрические и/или магнитные поля с необходимыми характеристиками. Воздействие такими электрическими и/или магнитными полями на капли приводит к организации потоков капель, содержащих наночастицы, отклоняющихся и выстраивающихся при осаждении на подложку в соответствии с ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического и/или магнитного полей.The parameters of the voltage supplied to the electrodes, i.e. the characteristics of the generated electric and / or magnetic fields are determined by the required picture of the ordering of the nanostructure. Setting control signals (voltage parameters) supplied to the electrodes in accordance with the nanostructure ordering pattern allows electric and / or magnetic fields with the necessary characteristics to be formed in the space where the droplet cloud is located. The action of droplets by such electric and / or magnetic fields leads to the organization of droplet flows containing nanoparticles that deflect and line up when deposited on the substrate in accordance with the spatial orientation of the electric and / or magnetic field intensity vectors.
При этом для четкого фиксирования наноструктуры материал подложки должен быть химически стойким по отношению ко всему субстрату.In this case, for a clear fixation of the nanostructure, the substrate material must be chemically stable with respect to the entire substrate.
Различные жидкие и твердые реагенты могут вводиться в исходный субстрат для протекания необходимых химических реакций с активизацией наночастиц.Various liquid and solid reagents can be introduced into the initial substrate for the flow of the necessary chemical reactions with the activation of nanoparticles.
Следует отметить, что капли исходного субстрата после распыления должны обладать электрическим зарядом и/или магнитным моментом для последующего управления их движением и осаждением на подложку с помощью электрического и/или магнитного поля. При этом исходный субстрат, из которого изготавливается наноструктура, должен обладать возможностью распыления с помощью ультразвуковых волн (быть раствором, суспензией или эмульсией, в том числе, например, органических материалов, а также биологических тканей или культур, или, например, быть расплавленным металлом или полупроводником). Таким образом, с целью придания субстрату возможности его распыления, субстрат может содержать помимо наночастиц наполнитель (например, воду и/или спирт в произвольной концентрации).It should be noted that the droplets of the initial substrate after sputtering must have an electric charge and / or magnetic moment for subsequent control of their motion and deposition on the substrate using an electric and / or magnetic field. In this case, the initial substrate from which the nanostructure is made must be able to be sprayed using ultrasonic waves (be a solution, suspension or emulsion, including, for example, organic materials, as well as biological tissues or cultures, or, for example, be molten metal or semiconductor). Thus, in order to make the substrate sprayable, the substrate may contain, in addition to nanoparticles, a filler (for example, water and / or alcohol in an arbitrary concentration).
Формирование упорядоченных наноструктур по заявленному способу может быть осуществлено следующим образом. В заданное пространство камеры вносится подложка, исходный субстрат, содержащий наночастицы, наносится на поверхность модуля формирования облака капель. При приложении соответствующего электрического напряжения к пьезоэлектрическому преобразователю воздействие возникающей ультразвуковой волны на субстрат приводит к его распылению с образованием облака капель, каждая из которых может содержать одну или несколько (по меньшей мере, одну) наночастиц. В камере создаются электрические и/или магнитные поля с заданными характеристиками, что приводит к организации потоков заряженных капель, их отклонению и выстраиванию при осаждении на подложку в соответствии с ориентацией в пространстве векторов напряженности электрического и/или магнитного полей. Для этого на систему электродов подаются соответствующие управляющие сигналы, параметры которых определяются требуемой картиной упорядочения наноструктуры. Применение воздействия электрическим и/или магнитным полями на капли, содержащие наночастицы, для управления их движением в пространстве облака и их осаждением на подложке позволяет не использовать маску при формировании наноструктур, что, в свою очередь, позволяет организовать проведение процесса формирования в одном технологическом пространстве камеры за один этап, то есть повышает гибкость способа (за счет возможности создания различных структур не с помощью изготовления новых масок, а изменением параметров управляющих сигналов и устраняет расходы на создание маски). Капли осаждаются на подложку в соответствии с требуемой картиной упорядоченной наноструктуры. Летучие компоненты облака либо являются химически инертными по отношению к материалу наноструктур и постепенно испаряются с подложки в окружающее пространство, либо таковых не остается (в случае расплавленных металлов или полупроводников).The formation of ordered nanostructures according to the claimed method can be carried out as follows. A substrate is introduced into a given chamber space, an initial substrate containing nanoparticles is deposited on the surface of a droplet cloud formation module. When an appropriate electrical voltage is applied to the piezoelectric transducer, the effect of the emerging ultrasonic wave on the substrate leads to its dispersion with the formation of a cloud of droplets, each of which may contain one or more (at least one) nanoparticles. Electric and / or magnetic fields with specified characteristics are created in the chamber, which leads to the organization of flows of charged droplets, their deviation and alignment during deposition on the substrate in accordance with the orientation in space of the vectors of electric and / or magnetic fields. For this, the corresponding control signals are supplied to the electrode system, the parameters of which are determined by the required picture of the nanostructure ordering. The use of the action of electric and / or magnetic fields on droplets containing nanoparticles to control their movement in the cloud space and their deposition on the substrate allows not to use a mask during the formation of nanostructures, which, in turn, allows you to organize the process of formation in one technological chamber space in one step, that is, it increases the flexibility of the method (due to the possibility of creating various structures not by making new masks, but by changing the parameters of the control signals and eliminates the cost of creating a mask). Drops are deposited on a substrate in accordance with the required pattern of an ordered nanostructure. The volatile components of the cloud are either chemically inert with respect to the material of the nanostructures and gradually evaporate from the substrate into the surrounding space, or they do not remain (in the case of molten metals or semiconductors).
Таким образом, создание субстрата в виде распыленного облака капель, содержащих, по крайней мере, одну наночастицу, посредством ультразвукового воздействия является щадящим и экологически безопасным, что позволяет расширить класс материалов, из которых можно формировать упорядоченные наноструктуры с обеспечением высокой точности воспроизведения наноструктуры на подложке. Управление движением и осаждением капель воздействием внешних электрических и/или магнитных полей позволяет управлять движением и осаждением капель и, таким образом, находящихся в них наночастиц, несущих электрический заряд или магнитный момент. Класс таких частиц очень широк и включает растворы, суспензии и эмульсии неорганических и органических материалов, а также биологических тканей или культур, в том числе расплавленные металлы или полупроводники. Применение воздействия электрическим и/или магнитным полями на капли для управления их движением в пространстве облака и их осаждением на подложку позволяет не использовать маску при формировании наноструктур, что, в свою очередь, позволяет организовать проведение процесса формирования в одном технологическом пространстве камеры за один этап. Заявленный способ позволяет формировать многослойные упорядоченные структуры, что возможно при внесении в камеру подложки с нанесенным слоем упорядоченной наноструктуры для формирования следующего слоя, при этом картины упорядочения слоем наноструктур могут быть различными. Заявленным способом могут быть получены двухмерные, трехмерные упорядоченные структуры из различных материалов.Thus, the creation of a substrate in the form of an atomized cloud of droplets containing at least one nanoparticle by means of ultrasonic treatment is gentle and environmentally friendly, which allows us to expand the class of materials from which ordered nanostructures can be formed with high accuracy of reproduction of the nanostructure on the substrate. Control of the movement and deposition of droplets by the action of external electric and / or magnetic fields makes it possible to control the movement and deposition of droplets and, thus, the nanoparticles inside them that carry an electric charge or magnetic moment. The class of such particles is very wide and includes solutions, suspensions and emulsions of inorganic and organic materials, as well as biological tissues or cultures, including molten metals or semiconductors. The use of the action of electric and / or magnetic fields on drops to control their movement in the cloud space and their deposition on the substrate allows not to use a mask when forming nanostructures, which, in turn, allows you to organize the process of formation in one technological space of the camera in one step. The claimed method allows the formation of multilayer ordered structures, which is possible when introducing into the chamber a substrate with a deposited layer of ordered nanostructures to form the next layer, while the patterns of ordering with a layer of nanostructures can be different. The claimed method can be obtained two-dimensional, three-dimensional ordered structure of various materials.
Заявленный способ формирования упорядоченных наноструктур на подложке позволяет получать упорядоченные наноструктуры с высокой точностью воспроизведения картины упорядочения наночастиц в структуре.The claimed method for the formation of ordered nanostructures on a substrate allows one to obtain ordered nanostructures with high accuracy in reproducing the pattern of ordering of nanoparticles in the structure.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009137653/28A RU2421394C1 (en) | 2009-10-13 | 2009-10-13 | Method to form ordered nanostructures on substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009137653/28A RU2421394C1 (en) | 2009-10-13 | 2009-10-13 | Method to form ordered nanostructures on substrate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2421394C1 true RU2421394C1 (en) | 2011-06-20 |
Family
ID=44737958
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009137653/28A RU2421394C1 (en) | 2009-10-13 | 2009-10-13 | Method to form ordered nanostructures on substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2421394C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013181648A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Rudenko Pavlo | Nanostructure with functionally different sides |
-
2009
- 2009-10-13 RU RU2009137653/28A patent/RU2421394C1/en active IP Right Revival
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Сборник тезисов и докладов научно-технологических секций Международный форум по нанотехнологиям 3-5.12, М., 2008. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013181648A1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-12-05 | Rudenko Pavlo | Nanostructure with functionally different sides |
| US10501327B2 (en) | 2012-06-01 | 2019-12-10 | Pavlo Rudenko | Nanostructures with functionally different surfaces |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| van Dommelen et al. | Surface self-assembly of colloidal crystals for micro-and nano-patterning | |
| Zhu et al. | Controlling nanoparticle orientations in the self-assembly of patchy quantum dot-gold heterostructural nanocrystals | |
| Li et al. | Hexagonal-close-packed, hierarchical amorphous TiO2 nanocolumn arrays: transferability, enhanced photocatalytic activity, and superamphiphilicity without UV irradiation | |
| US10233559B2 (en) | High rate electric field driven nanoelement assembly on an insulated surface | |
| Masuda et al. | Two-dimensional self-assembly of spherical particles using a liquid mold and its drying process | |
| KR101910378B1 (en) | Two dimensional hybrid nanopatternd structures through spontaneous self-assembly of plasmonic nanoparticles on a hydrogel colloidal crystal monolayer | |
| JP2009034630A (en) | Method of manufacturing mono-particle membrane on non-flat surface, method of manufacturing fine structure using mono-particle membrane etching mask, and fine structure formed by the method | |
| Yang et al. | High-precision three-dimensional printing in a flexible, low-cost and versatile way: a review | |
| JP2014521350A (en) | System and method for constructing tissue using electric field applying device | |
| WO2008045114A9 (en) | Method for fabricating nanostructures | |
| Valsesia et al. | Plasma assisted production of chemical nano-patterns by nano-sphere lithography: application to bio-interfaces | |
| RU2421394C1 (en) | Method to form ordered nanostructures on substrate | |
| US9096954B2 (en) | Metal nanoparticle array structure, device for producing same, and method for producing same | |
| US10766785B2 (en) | Method of arranging nanocrystals, method of producing nanocrystal structure, nanocrystal structure formation substrate, and method of manufacturing nanocrystal structure formation substrate | |
| Bredikhin et al. | 2D mesoscale colloidal crystal patterns on polymer substrates | |
| RU2655651C1 (en) | Method of producing nanolithographic drawings with a crystalline structure with a super-developed surface | |
| Kenigsberg et al. | One-pot approach for acoustic directed assembly of metallic and composite microstructures by metal ion reduction | |
| CN110407157A (en) | Device and preparation method thereof with micro-structure | |
| Abdulrahman | Fabricating an Ordered Array of Silver Nanoparticles via the Nanosphere Lithography Technique. | |
| KR20130137425A (en) | Manufacturing method of aligned zno nanowire and zno nanowire by thesame | |
| JP2004344854A (en) | Method of forming fine particles accumulated body | |
| Kumar et al. | Lithography and 3D Fabrication Processes: A Review | |
| Cui et al. | Gram-scale fabrication of patchy nanoparticles with tunable spatial topology and chemical functionality | |
| KR102542639B1 (en) | Apparatus and method for forming fine pattern | |
| JP5725534B2 (en) | Liposome production method and apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111014 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130610 |
|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20131017 |
|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -PC4A- IN JOURNAL: 5-2014 |