納米印刷技能的發(fā)展探究
2012-08-07 09:06 來(lái)源：必勝網(wǎng) 責編：江佳
- 摘要：
- 3DPN技術(shù)研究的前景與微接觸印刷、納米印刻印刷等近年來(lái)發(fā)展起的印刷技術(shù)相比，DPN技術(shù)具有其高分辨率、定位準確和直接書(shū)寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有圖案的穩定性較弱和書(shū)寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)。
【CPP114】訊：采用2對DPN技術(shù)機理的新進(jìn)展研究分子傳輸過(guò)程中實(shí)驗條件的影響自然狀態(tài)下進(jìn)行DPN實(shí)驗時(shí)，空氣和基底上的水分會(huì )聚集在A(yíng)FM針尖和基底之間，形成水的半月板。故很多情況下，水的半月板作為“墨水”分子從針尖到基底的傳輸媒介。如上文所述，基底上形成的圖案受到濕度、針尖與基底接觸時(shí)間和針尖在基底上書(shū)寫(xiě)速度等因素的影響。對濕度的影響，一些研究者認為某些情況下水的半月板在“墨水”分子傳輸過(guò)程中并不起作用，他們在濕度為0.0%時(shí)在基底上得到了穩定的圖案。但是很多情況下，由于半月板的存在，實(shí)驗結果會(huì )受到濕度影響。一方面，增大濕度時(shí)增大了水的半月板的體積，故增加了傳輸“墨水”分子的量;另一方面，水層阻礙了分子在基底上的吸附，從而對其傳輸有阻礙作用。在這兩方面因素的競爭下，不同分子受到的影響不同。進(jìn)一步定量地講，濕度的影響在于它通過(guò)改變半月板的高度h而影響與針尖的接觸面積。實(shí)驗和理論均可以說(shuō)明，增大濕度時(shí)，點(diǎn)的大小與半月板高度之間的關(guān)系逐漸從轉變?yōu)榕ch成線(xiàn)性關(guān)系，最終變?yōu)榕ch2有線(xiàn)性關(guān)系。
另外，針尖與基底接觸時(shí)間對形成點(diǎn)的大小有影響。當針尖與基底相對靜止時(shí)，由于“墨水”分子的自由擴散，會(huì )在基底上形成圓形點(diǎn)的圖案。在許多實(shí)驗中都發(fā)現，形成點(diǎn)的半徑或直徑與針尖和基底接觸時(shí)間的平方根成線(xiàn)性關(guān)系。利用二維擴散模型，可以得到點(diǎn)半徑R(t)的如下公式。在沉積速度較小和較大時(shí)分別有其中t為時(shí)間，n為單位時(shí)間內沉積的“墨水”分子數，ρ為分子單層的密度，D為擴散系數。從上面兩式可以看出，在兩種情況下，點(diǎn)的半徑與接觸時(shí)間的平方根均成線(xiàn)性關(guān)系。
進(jìn)一步地，可以建立三維模型并利用MonteCarlo模擬對濕度和針尖浸潤性的影響進(jìn)行研究。采用與二維模型中相同的計算方法，可以得到不同浸潤性的針尖的力-距離曲線(xiàn)。結果顯示，在各種濕度下，對親水的針尖，針尖與基底間距h=2l時(shí)能量最低，且隨間距增大吸引力逐漸減小，系統趨于不穩定;而對憎水的針尖，只有h=2l時(shí)作用力表現為吸引力，此時(shí)在針尖與基底之間形成分子單層，而在其它情況下均不形成水的半月板。
利用三維模型得到的力一距離曲線(xiàn)對水的半月板的研究當對不揮發(fā)性“墨水”分子傳輸時(shí)，水的半月板是一個(gè)必不可少的條件。因此研究水的半月板的形成具有更重要的意義。利用NaCl為基底可以對水的半月板進(jìn)行研究，通過(guò)觀(guān)察在水的半月板處NaCl表面的溶解情況，可以判斷水的半月板是否形成及其形狀。實(shí)驗發(fā)現不管針尖親水性如何，除了在超高真空條件下，在各種濕度時(shí)都有水的半月板形成。實(shí)驗中還觀(guān)察到，拉脫力隨著(zhù)濕度的降低而降低。
另外，對水的半月板的寬度的最小極限的研究是一個(gè)很有意義的課題，因為這將從理論上確定DPN技術(shù)分辨率的極限。利用MonteCarlo模擬可以計算出不同濕度和針尖與基底間距時(shí)的半月板寬度，得出了半月板寬度是由針尖與基底的接觸半徑?jīng)Q定的結論。在最尖的針尖極限情況下，這時(shí)針尖只有一個(gè)分子與基底接觸，計算出半月板寬度最小為5分子直徑大小，約1.9納米，這同時(shí)也決定了DPN技術(shù)分辨率的極限。
3DPN技術(shù)研究的前景與微接觸印刷、納米印刻印刷等近年來(lái)發(fā)展起的印刷技術(shù)相比，DPN技術(shù)具有其高分辨率、定位準確和直接書(shū)寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有圖案的穩定性較弱和書(shū)寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)。為提高其書(shū)寫(xiě)速度，可以用多針尖系統來(lái)代替單個(gè)針尖，使用AFM針尖的陣列在基底上書(shū)寫(xiě)，這種平行DPN技術(shù)將是最近和今后的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)。與此同時(shí)，關(guān)于DPN技術(shù)理論的研究仍然存在一些問(wèn)題還未解決。AFM針尖的光滑度和形狀對水的半月板有何影響“墨水”分子是怎么在基底表面上自組裝成分子單層的。通過(guò)這種方式組裝成的與其它方法制備的分子單層物理化學(xué)性質(zhì)有何不同。通過(guò)對這一系列問(wèn)題的研究，我們對DPN技術(shù)將有一個(gè)更為深入的了解。
另外，針尖與基底接觸時(shí)間對形成點(diǎn)的大小有影響。當針尖與基底相對靜止時(shí)，由于“墨水”分子的自由擴散，會(huì )在基底上形成圓形點(diǎn)的圖案。在許多實(shí)驗中都發(fā)現，形成點(diǎn)的半徑或直徑與針尖和基底接觸時(shí)間的平方根成線(xiàn)性關(guān)系。利用二維擴散模型，可以得到點(diǎn)半徑R(t)的如下公式。在沉積速度較小和較大時(shí)分別有其中t為時(shí)間，n為單位時(shí)間內沉積的“墨水”分子數，ρ為分子單層的密度，D為擴散系數。從上面兩式可以看出，在兩種情況下，點(diǎn)的半徑與接觸時(shí)間的平方根均成線(xiàn)性關(guān)系。
進(jìn)一步地，可以建立三維模型并利用MonteCarlo模擬對濕度和針尖浸潤性的影響進(jìn)行研究。采用與二維模型中相同的計算方法，可以得到不同浸潤性的針尖的力-距離曲線(xiàn)。結果顯示，在各種濕度下，對親水的針尖，針尖與基底間距h=2l時(shí)能量最低，且隨間距增大吸引力逐漸減小，系統趨于不穩定;而對憎水的針尖，只有h=2l時(shí)作用力表現為吸引力，此時(shí)在針尖與基底之間形成分子單層，而在其它情況下均不形成水的半月板。
利用三維模型得到的力一距離曲線(xiàn)對水的半月板的研究當對不揮發(fā)性“墨水”分子傳輸時(shí)，水的半月板是一個(gè)必不可少的條件。因此研究水的半月板的形成具有更重要的意義。利用NaCl為基底可以對水的半月板進(jìn)行研究，通過(guò)觀(guān)察在水的半月板處NaCl表面的溶解情況，可以判斷水的半月板是否形成及其形狀。實(shí)驗發(fā)現不管針尖親水性如何，除了在超高真空條件下，在各種濕度時(shí)都有水的半月板形成。實(shí)驗中還觀(guān)察到，拉脫力隨著(zhù)濕度的降低而降低。
另外，對水的半月板的寬度的最小極限的研究是一個(gè)很有意義的課題，因為這將從理論上確定DPN技術(shù)分辨率的極限。利用MonteCarlo模擬可以計算出不同濕度和針尖與基底間距時(shí)的半月板寬度，得出了半月板寬度是由針尖與基底的接觸半徑?jīng)Q定的結論。在最尖的針尖極限情況下，這時(shí)針尖只有一個(gè)分子與基底接觸，計算出半月板寬度最小為5分子直徑大小，約1.9納米，這同時(shí)也決定了DPN技術(shù)分辨率的極限。
3DPN技術(shù)研究的前景與微接觸印刷、納米印刻印刷等近年來(lái)發(fā)展起的印刷技術(shù)相比，DPN技術(shù)具有其高分辨率、定位準確和直接書(shū)寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有圖案的穩定性較弱和書(shū)寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)。為提高其書(shū)寫(xiě)速度，可以用多針尖系統來(lái)代替單個(gè)針尖，使用AFM針尖的陣列在基底上書(shū)寫(xiě)，這種平行DPN技術(shù)將是最近和今后的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)。與此同時(shí)，關(guān)于DPN技術(shù)理論的研究仍然存在一些問(wèn)題還未解決。AFM針尖的光滑度和形狀對水的半月板有何影響“墨水”分子是怎么在基底表面上自組裝成分子單層的。通過(guò)這種方式組裝成的與其它方法制備的分子單層物理化學(xué)性質(zhì)有何不同。通過(guò)對這一系列問(wèn)題的研究，我們對DPN技術(shù)將有一個(gè)更為深入的了解。
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