То, что мы называем «печатными платами» — основа всех электронных устройств в реальной жизни к печати имеют очень посредственное отношение. Они изготавливаются с помощью таких технологий, как химическое травление, аддитивное осаждение, лазерное травление и даже нано печать. Поскольку ширина дорожки и расстояния между слоями печатных плат (PCB) уменьшаются, или требуются все меньшие объемы трехмерных наноструктур, эти методы достигают своих пределов. Они становятся все более сложными и дорогостоящими, поскольку даже малейшие недостатки и шероховатости могут повлиять на функциональность и производительность.
Предоставляя альтернативный подход, команда Университета Пердью разработала систему, которая «копирует» скорость и точность рулонной печати газет с усилением лазерных импульсов по отношению к печатным платам. Их подход потенциально предлагает крупномасштабный метод изготовления, который позволяет формировать гладкие металлические контуры и другие структуры в нано размерах с использованием обычных импульсных лазеров на диоксиде углерода (CO2), которые уже используются для промышленной резки и гравировки.
Этот метод обращается к так называемому «пределу формируемости», когда размеры элементов металла приближаются к размерам, меньше, чем частицы металла. Это ограничивает возможность изготовления материалов с нано размерным разрешением на высокой скорости из-за относительной «шероховатости» материала относительно требуемой структуры.
Где (а) принципиальная схема пилотной линии для нано формования металлов с рулона на рулон; (b) массив плиток 5 × 7 из нано сформованных золотых доменов размером 1 см2, приваренных к гибкой пластиковой подложке; (в) нано покрытый композит золото / пластик, обладающий достаточной гибкостью и межфазной адгезией, чтобы противостоять изгибу и завязыванию в узел. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) делает изображение с высоким разрешением ультрагладких золотых нано структур (ширина линии 350 нм).
При изготовлении, ученые используют метод прокатной печати, похож на тот, что применяют для печати газет на высокой скорости (рисунок выше). Применяя высокоэнергетические лазерные импульсы к материалу для получения высокой скорости деформации — метод, называемый сверхпластичностью, индуцируемой лазером в рулонах (R2RLIS), — ударная волна, которую индуцирует лазер, приводит к короткому периоду «супер упругого» поведения.
Эти «удары», в свою очередь, позволяют металлу проникать в нано размерные элементы прокатного материала и, таким образом, преодолевают предел формируемости. Точная настройка мощности лазера во время процесса R2RLIS позволяет контролировать соотношение сторон (глубина / ширина), а также механические и оптические свойства изготовленных нано структур. Команда Purdue успешно изготовила механически упрочненные плазмонные нано структуры с соотношением сторон до пяти, которые демонстрируют высокую стойкость к окислению и сильные улучшения оптического поля.
Методика применима и к материалам помимо металлов. Например, полидиметилсилоксан (называемый ПДМС или диметикон) является полимером, широко используемым для изготовления и прототипирования микрофлюидных микросхем. Он используется для создания эластомерной нано печати, которая затем используются для репликации нано размерных элементов в разнообразных недорогих «мягких литографических» процессах, позволяющих создавать рисунки с разрешением менее 100 нм на изогнутых поверхностях и больших площадях.
Тем не менее, довольно низкий модуль Юнга (способность материала сопротивляться растяжению) этих штампов затрудняет копирование рисунков с более высоким разрешением, а также рисунков с высоким соотношением сторон (больше двух). Это связано с самоадгезией элементов штампа, вызванных электростатическим притяжением, механическим напряжением или капиллярными силами.
Сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовой микроскоп показывают ультрагладкие трехмерные наноструктуры, изготовленные с помощью R2RLIS: (а) наноструктура золота с шириной линии 350 нм и высотой 110 нм; (b) нано-V-образные канавки с соотношением сторон 5 (глубина 200 нм, ширина 40 нм), изготовленные на алюминии; (в) наноразмерная сетка, изготовленная на медной пленке; (d) массив нанопилляров серебра диаметром 350 нм / высотой 1,1 мкм.
Как обсуждалось в детальной статье Nano Letters Американского химического общества «Нано формование металлов с использованием лазерной индуцированной сверхпластичности» (Roll-to-Roll Nanoforming of Metals Using Laser-Induced Superplasticity), команда изготовила различные нано структуры (представляющие различные по ширине линии и расстояния) из золота и других материалов с различным соотношением сторон, используя титан / эпоксидную смолу шириной 350 нм и глубиной 220 нм (рисунок выше). Золото используется из-за его малого омического сопротивления на оптических частотах и его высокой стойкости к окислению.
Применяя различные мощности лазера в процессе нано формования, они создали нано структуры шириной 350 нм с высотами 50, 75, 100, 120, 136, 169 и 220 нм. Их вывод заключается в том, что методы R2RLIS могут обеспечить быстрое и недорогое изготовление сверх гладких металлических нано структур, подходящих для электроники, электрооптики и оптических компонентов на больших площадях, с использованием обычных лазерных граверов CO2.
