7 Minutės
Loughborough universiteto fizikai sukūrė tai, ką vadina „mažiausiu pasaulyje smuiku“ — platininę mikrostruktūrą, pakankamai mažą, kad ištemptų per vieną žmogaus plauko skersmenį. Šį mikroskopinį objektą pagamino kaip patikros modelį naujai nanolitografijos sistemai, o pats smuikas demonstruoja gamybos tikslumą, kuris gali turėti įtakos ateities duomenų saugojimo ir skaičiavimo įrenginių vystymuisi. Straipsnyje aprašoma ne tik estetinė demonstracija, bet ir techniniai procesai, kuriuos grupė patobulino, bei potencialios taikymo sritys — nuo šilumos valdymo duomenų įrašymui iki kvantinių medžiagų prototipų tyrimų.
Mikroskopinis meistriškumas ir kodėl dydis svarbus
Platininis smuikas yra apie 35 mikronus ilgio ir 13 mikronų pločio. Kad būtų aiškiau: žmogaus plaukai paprastai svyruoja nuo maždaug 17 iki 180 mikronų skersmens, o smulkūs gyviai, tokie kaip tardigradai, gali būti nuo 50 iki 1 200 mikronų. Tokie dydžių palyginimai padeda įsivaizduoti mastelį, tačiau svarbu suprasti ir technologinį kontekstą: nors instrumentas nėra skirtas groti, jis yra sudėtingas bandymo raštas, kurį komanda panaudojo tam, kad ištirtų ir patvirtintų pažangios nanofabrikacijos įrangos galimybes. Praktinėje pusėje šis modelis padeda nustatyti rašymo, atspaudų perduodamumo ir metalo nusėdimo parametrus, kurie būtini gaminant tikras mikro- ir nanoįrenginių struktūras.
Nuotraukos, kuriose struktūra padėta šalia žmogaus plauko, buvo nufotografuotos naudojant Keyence VHX-7000N skaitmeninį mikroskopą — tai iš karto parodo dydžio santykį ir leidžia tiksliai dokumentuoti geometriją. Professorė Kelly Morrison, Fizikos departamento vadovė, pabrėžė, kad šios mažosios konstrukcijos kūrimas nebuvo vien tik reklaminis triukas; procesas leido komandai tobulinti darbo eigas, kalibracijas ir kokybės kontrolės metodus, kuriuos dabar jie taiko taikomuosiuose tyrimuose. Tokie bandymai paprastai atskleidžia ne tik įrangos galimybes, bet ir ribas — pavyzdžiui, kaip patikimai kontroliuoti temperatūrą, tipų nusidėvėjimą, rezoliuciją ir pakartojamumą serijinės gamybos sąlygomis. Dėl to šios demonstracijos vertė yra tiek akademinė, tiek praktinė: jos suteikia pagrindą tolimesniems eksperimentams su sudėtingesnėmis struktūromis ir funkcijomis.
Kaip NanoFrazor drožia nanoskalėje
Laboratorinėje sistemoje pagrindinis įrankis yra NanoFrazor, kurį gamina Heidelberg Instruments — tai nano-skulptūros įrenginys, naudojantis terminės skenuojamosios zondinės litografijos (tSPL) principą. Esmė ta, kad pašildytas adatos tipo antgalis mechaniškai „rašytoja“ raštus, lokaliai pakeisdamas dangos paviršių arba sukuriant reljefą fotoresistinius sluoksnius. Skirtingai nuo kai kurių kitų litografijos metodų, tSPL leidžia tiesioginį rašymą be papildomo rentgeno arba EUV šaltinio, suteikiant didelę erdvinę kontrolę ir galimybę formuoti ypač smulkius bruožus su nanometriniu tikslumu. Siekiant išvengti užteršimo dulkėmis ar drėgme, visas surinktas įrenginys veikia hermetiškai uždarytoje pirštinėje (glovebox), kuri palaiko kontroliuojamą aplinką — tai būtina norint užtikrinti pakartojamumą ir apsaugoti jautrius antgalius bei medžiagas nuo oksidacijos.
Smuikas buvo pagamintas taip: lustas buvo padengtas dviem fotoresisto sluoksniais, o vėliau NanoFrazor įrankiu įkaitintas antgalis „išdegė“ smuiko formos raštą į viršutinį sluoksnį. Po to apatinis sluoksnis ištirpdytas, kad atsirastų ertmė arba formos ertmė, kuri vėliau buvo užpildyta plonu platinės sluoksniu. Galutiniame etape likęs fotoresistas buvo pašalintas acetonu arba kitais tirpikliais. Šis procesas yra artimas lift-off technikai, kuri dažnai naudojama mikroelektronikoje, tačiau NanoFrazor suteikia papildomą pranašumą — galimybę rašyti labai sudėtingus brėžinius be tradicinės fotomasės ar maskavimo etapų.
Reikėtų pažymėti, kad vienas pilnas gamybos ciklas gali trukti apie tris valandas, tačiau tam, kad procesas taptų patikimas ir pakartojamas, prireikė daug mėnesių atkaklaus tikslinimo. Tokius rezultatus lemia ne tik tiksli įranga, bet ir duomenų analizė, antgalių kalibravimas, resistų parametrų parinkimas ir aplinkos valdymas. Kiekvienas žingsnis — nuo sluoksnių storio kontrolės iki terminio profilio optimizavimo — prisideda prie sėkmės, ypač kai tikimasi, kad struktūros bus naudojamos funkcinėms testavimo schemoms ar integracijai su elektronikos elementais. Be to, inžinieriai turi atsižvelgti į tipinio antgalio nusidėvėjimą, rašymo greičio kompromisus tarp raiškos ir laiko bei galimas deformacijas metalo nusėdimo metu.
Nuo meniškų raštų iki praktiškų įrenginių
Už estetinės demonstracijos slepiasi rimtos taikomosios pastangos: nanolitografijos platforma naudojama nagrinėti kelias pažangias skaičiavimo ir saugojimo idėjas. Vienas projektas, kurį veda Dr Naëmi Leo, tiria, kaip kontroliuojami šiluminiai srautai gali pagerinti duomenų saugojimą ir apdorojimą. Jos komanda derina magnetines ir elektrines medžiagas su nanodalelėmis, kurios paverčia šviesą lokaliu šilumos šaltiniu; tokiu būdu sukuriamos temperatūros gradientų zonos, kurios gali būti panaudotos informacijos perjungimui arba nuskaitymui efektyviau nei tik elektromagnetiniais metodais. Tokia „šilumos pagalba“ gali sumažinti energijos sąnaudas arba leisti kurti daugiau sluoksnių skirtingų fizinių efektų viename įrenginyje.
Kitas tyrimų kryptis, kuruojama Dr Fasil Dejene, orientuota į kvantines medžiagas kaip galimą įprastinių magnetinių bitų pakaitalą. Kai saugyklos elementai mažėja, magnetinis stabilumas tampa vis didesne problema — mažų dydžių dalelės dažnai susiduria su superparamagnetizmo reiškiniu, kai terminės svyravimai sukelia nepageidaujamus perjungimus. Kvantinės medžiagos gali pasiūlyti naujas savybes: didesnį magnetinį anizotropinį stiprumą, topologinius stabilumo mechanizmus arba sąveikas, kurios palankios mažesnėms, greitesnėms ir patvaresnėms atminties architektūroms. Tokios medžiagos taip pat gali būti susijusios su neuromorfine arba smegenį imituojančia skaičiavimo architektūra, kurioje sinapsinių svorių dinamika ir trumpos trukmės atmintys reikalauja visiškai kitokių medžiagų savybių nei tradiciniai kietojo kūno magnetai.
Realių įrenginių kūrime svarbu ne tik atskirų elementų raiška, bet ir jų integracija į platesnes architektūras: izoliacija tarp elementų, signalo perdavimo kanalai, šiluminis valdymas ir testavimo metrikos. Nanolitografija, leidžianti tiesiogiai rašyti funkcines mažiausias sritis ir tuo pačiu kurti kontaktus bei sąsajas, suteikia labai vertingą lankstumą prototipų kūrimui. Be to, tokios sistemos — kaip NanoFrazor — gali būti naudingos kuriant eksperimentinius modelius, skirtus tirti medžiagų sąveikas, vietinę šiluminę kontrolę ar hibridines magneto-elektrines sistemas, kurių veikimas gali būti optimizuotas iki atskiros nanostruktūros lygmens.
Išvados
Platininis smuikas nėra tik žaismingas antraščių akcentas: jis parodo šiuolaikinės nanolitografijos ir NanoFrazor platformos tikslumą bei lankstumą. Tobulinant gamybos metodus šiame mastelyje, tyrėjai atveria naujas galimybes eksperimentams, susijusiems su šilumos pagalba veikiančiais perjungimais, kvantinių medžiagų prototipavimu ir naujais atminties konceptais, kurie gali formuoti ateities kietuosius diskus, MRAM tipo sprendimus ar kitas naujos kartos įrenginių platformas. Be to, šis darbas įrodo, kad kruopštus laboratorinis darbas — nuo antgalių kontrolės iki aplinkos valdymo — yra esminis žingsnis vedantis nuo koncepto iki funkcionalaus įrenginio. Ateities tyrimuose tikėtina, kad tokios technikos bus toliau optimizuojamos, siekiant didinti spartos, sumažinti sąnaudas ir plėsti mastelį nuo pavienių prototipų iki komerciškai perspektyvių sprendimų.
Šaltinis: lboro.ac
Komentarai