Самая крошечная трехмерная карта Земли

Ученые корпорации IBM создали трехмерную карту Земли, такую миниатюрную, что 1000 этих карт может поместиться в крупинке соли.* Ученым удалось достичь этого с помощью новой революционной методики, использующей миниатюрный кремниевый щуп с острым наконечником-иглой, который в 100000 раз меньше заточенного карандаша, для создания шаблонов изображений и структур масштаба 15-ти нанометров с меньшими затратами и сложностями. Этот метод формирования изображений открывает новые возможности для разработки объектов наномасштаба в такой области как перспективные технологии производства микросхем и электронной аппаратуры, а также в сферах медицины, бионаук и оптоэлектроники.

Как сообщается в научных журналах Science и Advanced Materials, с целью демонстрации уникальных возможностей нового метода команда исследователей создала несколько трехмерных и двухмерных изображений, использовав для каждого из них разные вещества:

* 25-нанометровая трехмерная копия, которая изображает в масштабе 1:5 млрд.** знаменитую гору Маттерхорн в Альпах высотой 4478 метров (14692 фута), была создана в молекулярном стекле.

* Полная трехмерная карта мира размером всего 22 на 11 микрон была<нарисована>на полимере. При таких размерах 1000 подобных карт мира могут поместиться в одной крупинке соли. На этой миниатюрной карте высотная отметка в тысячу метров соответствуют приблизительно восьми нанометрам. Изображение сформировано из 500000 пикселей; площадь каждого пикселя составляет 20 квадратных нанометров. Карта была создана всего за 2 минуты и 23 секунды.

* Двухмерное наноразмерное изображение логотипа IBM было<протравлено>в кристалле кремния на глубину 400 нанометров. Этот пример демонстрирует жизнеспособность метода для типовых нанопроизводственных процессов.

* Двухмерное изображение с высоким разрешением сплошной линии толщиной 15 нанометров.

Наука следует за техникой

Основной компонент новой методики, разработанной группой ученых из IBM — миниатюрный, чрезвычайно тонкий кремниевый наконечник (игла) щупа длиной 500 нанометров и толщиной кончика всего несколько нанометров.

<Успехи в развитии нанотехнологий тесно связаны с наличием высококачественных методов и инструментов для создания шаблонов изображений и объектов наномасштаба на поверхностях вещества, — поясняет физик д-р Армин Кнолл (Armin Knoll) из исследовательского центра IBM в Цюрихе (IBM Research — Zurich). — Обладающая широкой функциональностью и уникальной способностью построения трехмерных изображений, эта методология литографического формирования рисунка, основанная на сканирующей наноигле, является мощным инструментом для создания сверхмалых структур>.

Игла щупа, схожая с теми, которые используются в атомно-силовых микроскопах, прикрепляется к гибкому кронштейну, который в управляемом режиме сканирует поверхность вещества подложки с точностью одного нанометра — одной миллионной миллиметра. При нагревании или приложении внешней силы наноразмерная игла может<снимать>(удалять) слои вещества подложки по предварительно заданным шаблонам, работая как<нанофрезерный>станок сверхвысокой точности.

Подобно фрезерованию, можно снимать слои материала на определенную глубину, создавая сложные трехмерные структуры с нанометровой точностью путем модуляции приложенной силы или переадресации отдельных точек. Например, для создания трехмерной копии горы Маттерхорн было успешно удалено с подложки из молекулярного стекла 120 отдельных слоев вещества.

Сравнение с методом электроннолучевой литографии

Новая методика IBM обеспечивает разрешение до 15 нанометров, обладая, к тому же, потенциалом для достижения еще лучшей разрешающей способности. Используя существующие методы, такие как электроннолучевая литография***, становится все более проблематичным производить шаблоны изображений с разрешениями при размерах рабочего поля ниже 30 микрон — на этом уровне начинают действовать технические ограничения метода.

Более того, по сравнению с дорогостоящим инструментарием электроннолучевой литографии, который требует нескольких этапов обработки и оборудования, способного с легкостью загромоздить всю лабораторию, малогабаритный инструмент, созданный учеными IBM — который помещается на обычном столе — обещает широкие возможности с точки зрения улучшения разрешающей способности, причем при затратах, составляющих от одной пятой до одной десятой стоимости метода электроннолучевой литографии, и при гораздо меньшей сложности.

Еще одно преимущество методики, построенной на сканирующей<наноигле>, состоит в способности определять и оценивать форму шаблона с помощью той же самой иглы, которая используется для формирования объемных изображений обрабатываемых структур — что и продемонстрировали ученые IBM в своих экспериментах.

Области потенциального применения простираются от быстрого макетирования наноэлектронных КМОП-структур до создания прототипов оптических компонентов и мета-материалов, от производства трехмерных нанокорпускул до изготовления накладных шаблонов требуемой формы для<самосборки>объектов наномасштаба, таких как наностержни и нанотрубки.

Революционный прорыв в области материалов подложки

В двух научных публикациях ученые описывают свою новаторскую методологию формирования трехмерных наноизображений для двух разных, но чрезвычайно перспективных типов материала подложки: полимера, названного "polyphthalaldehyde" (полифталальдегид), и молекулярного стекла, подобного материалу подложки, который используется в традиционных процессах нанопроизводства (т.н. резисту). Выбор этих двух материалов стал ключевым фактором выдающейся эффективности и надежности нового метода.

В своих поисках подходящих и эффективных материалов подложки, ученые обратились к органическим материалам, которые могут быть применены в качестве резистов. В этих исследованиях они придерживались той же концепции, которая используется в современных полупроводниковых технологиях, что важно для будущей интеграции.

<В поиске материала подложки мы следовали принципу "make it or break it" (все или ничего), — поясняет Джим Хедрик (Jim Hedrick), ученый из исследовательского центра IBM в Альмадене (IBM Research — Almaden). — Нам нужно было найти и синтезировать вещества, которые образуют механически прочное стекло, и которые, к тому же, легко термически разлагаются на инертные летучие составляющие>.

Молекулярное стекло, которое было использовано в эксперименте с изображением горы Маттерхорн, состоит из молекул, напоминающих снежинки, с размерами около одного нанометра и почти сферической формой. При температуре сканирующей иглы выше 330°C (626°F), водородные связи, удерживающие молекулы вместе, разрываются, молекулярные частички становятся летучими и удаляются с поверхности вещества. Отличительная особенность материала состоит в том, что молекулярное стекло с нанесенным шаблоном изображения может быть перенесено посредством стандартного метода гравирования травлением на, например, кремний, традиционный материал в полупроводниковой промышленности. В конце 1990-х годов ученый Мицуру Уэда (Mitsuru Ueda) из Университета Ямагата (Yamagata University) в Японии впервые предложил использовать молекулярное стекло в качестве фоторезиста высокого разрешения (светочувствительного материала, затвердевающего под воздействием светового потока). Впоследствии молекулярное стекло разработал Крис Обер (Chris Ober) из Корнеллского университета (Cornell University).

Наноразмерная трехмерная карта мира была создана в полимере под названием полифталальдегид, который первоначально был разработан<почетным сотрудником IBM>(IBM Fellow) Хироши Ито (Hiroshi Ito) в 1980-е годы. Под воздействием повышенных температур компоненты это цепеобразной органической молекулы<освобождаются>от связей, удерживающих их в составе молекулы, и становятся летучими. Этот самоусиливающийся процесс вызывает распад молекулы и, затем, ускоряет процесс формирования изображения, делая это с быстротой, которая превышает даже механические перемещения сканирующей иглы.

IBM и нанотехнологии

IBM является пионером в области нанонауки и нанотехнологий, которые родились вместе с разработкой Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) сканирующего туннельного микроскопа (STM) в лаборатории IBM Zurich Research Lab в 1981 году. За это изобретение, которое сделало возможным визуализацию отдельных атомов и, позднее, манипуляции с ними, Герд Бинниг и Генрих Рорер получили в 1986 году Нобелевскую премию по физике. Атомно-силовой микроскоп (AFM),<потомок>сканирующего туннельного микроскопа STM, был разработан Биннигом в том же 1986 году. Микроскоп STM широко признан в мире как инструмент, открывший дорогу в наномир.

Двадцать лет назад Дону Айглеру (Don Eigler), получившему престижный титул IBM Fellow, впервые в истории удалось продемонстрировать способность манипулировать отдельными атомами с точностью атомарного уровня. Использовав сканирующий туннельный микроскоп, он составил из 35 атомов ксенона буквы "I-B-M".

Этот научный прорыв заложил прочную основу для дальнейших исследований IBM в области нанотехнологий. В настоящее время на территории исследовательского центра IBM в Цюрихе (IBM Research — Zurich) создается новая лаборатория мирового класса для международного научного сотрудничества в сфере нанонаук. Этот сверхсовременный центр перспективных нанотехнологий, который планируется открыть в мае 2011 года, является частью стратегического партнерства в области нанотехнологий между IBM Research и ETH Zurich (Федеральной политехнической школой Цюриха, которая считается одним из ведущих технических университетов в Европе).

*Приняв средний размер крупинки соли за 0,3 мм, вдоль ее диаметра можно разместить 1000 карт.

**Один нанометр по высоте изображения соответствует 57 метрам реальной высоты горы.

***Данный метод основан на избирательном облучении поверхности вещества пучком электронов, в результате чего формируется экспонированный слой, называемый резистом. Резист служит в качестве шаблона для переноса изображений в различные материалы, например, в кремний, посредством гравирования травлением. Этот метод является одним из наиболее универсальных и распространенных сегодня технологий, однако он очень сложен и дорог.