The Art of Building Small

Perkembangan microelektronik – pertama transistor dan kemudian kumpulan dari

transistor ke dalam prosesor mikroelektronik, chip memori dan controller. Mikroelektronik

rest pada teknik yang secara rutin memproduksi struktur yang sekecil 100 nanometer (100

juta dari 1 meter). Ukuran ini kecil oleh standar dari pengalaman sehari-hari – kira-kira

seribu lebar rambut manusia – tetapi itu besar dalam skala atom dan molekul. Diameter

dari 100 nanometer-wide wire merentang kira-kira 500 atom silicon.

Ide dari membuat “struktur nano” yang membandingkan 1 dari beberapa atom

memiliki pertimbangan yang baik, keduanya sebagai sebuah tantangan ilmiah dan untuk

alas an praktik. Struktur dari ukuran atom merepresentasikan batasan fundamental : untuk

membuat segalanya lebih kecil akan memerlukan manipulasi dari inti atom – dengan

mentransmisikan satu elemen kimia kedalam yang satunya. Dalam beberapa tahun

terakhir, scientist telah mempeelajari berbagai macam teknik untuk membangu

nanostructure, tetapi mereka hanya baru saja memulai menginvestigasi property mereka

dan aplikasi yang potensial. Era nanofabrication mulai disini, dan era nanoscience telah

baru dimulai, tetapi era nanotechnology ( menemukan kegunaan praktik struktur nano )

belum dimulai.

Pendekatan konvensional

Karena scientist tidak mengetahui macam nanostructure yang mereka akan bangun,

mereka belum menentukan cara terbaik untuk mengkonstruksikan mereka.

Photolithography, teknologi yang digunakan untuk manufaktur computer chip dan secara

virtual semua microelektronik system lainnya, dapat untuk membuat struktur yang lebih

kecil dari 100 nanometer, tetapi untuk melakukan hal tersebut sangat sulit, mahal, dan

tidak mudah. Dalam pencarian untuk menemukan alternative, riset nanofabrication telah

mengadopsi filosofi “ biarkan ribuan bunga berkembang .”

Pertama-tama, dalam mengetahui manfaat dan kerugian Photolithography.

Manufaktur menggunakan fenomena teknologi untuk menghasilkan 3 jutaan transistor per

detik di U.S. sendiri. Photolithography secara dasar sebuah perluasan dari fotografi.

Pertama membuat persamaan dari fotografi negative yang berisi pola dibutuhkan untuk

beberapa part dari sirkuit microchip. Ini kemudian disebut mask atau master, yang

kemudian digunakan untuk mengcopi pola kedalam metal dan semikonduktor dari

microchip. Dalam kasus ini, fotografi, negative nya itu sulit dibuat, tetepi inutuk membuat

copyan nya mudah, karena mask ini bisa digunakan berkali-kali.proses tersebut dibagi

menjadi 2 tahap : persiapan dari mask ( satu kali, yang bisa lambat dan mahal ) dan

menggunakan mask untuk replica manufaktur ( yang pasti cepat dan tidak mahal ).

Untuk membuat mask sebagai bagian dari computer chip, manufaktur mendesign

pola sirkuit pada skala besar dan mengkonversikannya ke dalam pola dari opaque metallic

film ( biasanya chromium) pada piringan transparan ( biasanya glass atau silica ).

Photolithography kemudian mengurangi ukuran pola dalam proses analog di dalam

photographic darkroom. Pancaran cahaya ( sinar UV dari lampu mercury arc ) melewati

mask chromium, kemudian melewati lensa yang memfocuskan gambar ke sebuah

photosensitive yang menyelubungi organic polymer ( disebut photoresist ) pada

permukaan silicon wafer. Part photoresist ditabrakan oleh sinar yang bisa menghapus

secara selektif. Dalam mereplikasi pola asli.

Teknologi Photolithography mempunyai dua batasan. Pertama, panjang gelombang

terpendek sinar UV yang digunakan untuk proses produksi sekitar 250 nanometer.

Membuat struktur yang lebih kecil dari setengah jaraknya seperti mencoba membaca

cetakan yang terlalu kecil: difarksi menyebabkan fitur menjadi blur dan melebur bersama.

Batasan kedua mengikuti batasan pertama karena secara teknis sulit untuk

membuat struktur kecil menggunakan cahaya, juga sangat mahal untuk dilakukan.

Photolithographic akan digunakanuntuk membuat chip dengan fitur dg baik dibawah 100

nanometer yang biayanya 10 hingga ratusan juta dollar. Hal ini mungkin tidak bisa

diterima manufaktur, tetapi itu manghalangi biologist, material scientist , chemist, dan

physicist yang ingin mengeksplorasi nanoscience mengunakan struktur yang mereka

design sendiri.

Future Nanochips

Industri elektronik berupaya dalam mengembangkan metode baru untuk nanofabrication

jadi mereka bisa membangun yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih murah. Tetapi karena

photolithography yang masih konvensional menjadi lebih sulit untuk mewujudkan hal

tersebut. Salah satu metode tersebut yaitu electron beam lithography. Dalam metode ini,

pola sirkuit ditulis dalam polymer tipis dengan pancaran electron. Riset menggunakan

teknik untuk menulis garis dg ketebalan hanya beberapa nanometer di 1 lapis dari

photoresist pada substrat silicon. Electron-beam instruments tersedia,bagaimanpun, sangat

mahal dan tidak bisa dipraktekkan untuk manufaktur skala besar. Karena pancaran electron

dibutuhkan untuk memproduksi copyan dari manuscript oleh tangan, satu garis sekali.

Lalu kalau electron bukan jawaban, apa? Metode yang lainnya adalah lithography yang

menggunakan X-ray dengan panjang gelombang antara 0.1 dan 10 nanometer atau sinar

UV eksstrim dengan panjang gelombang antara 10 dan 70 nanometer. Karean bentuk

radiasi ini lebih pendek panjang gelombangnya daripada sinar UV yang digunakan di

photolithography, mereka meminimalisir blurring yang disebabkan difraksi. Teknologi ini

memiliki problem tersendiri, bagaimanapun : lensa konvensional tidak tarnsparan untuk

UV ekstrim dan tidak focus pada x-ray. Oleh karena itu, radiasi energy secar cepat

merusak banyak material yang digunakan di mask dan lensa, tetapi industry microelektron

akan lebih menyukai membuat advance chip yang menggunakan perluasan dari teknologi

familiar, jadi metode in sedang dikembangkan secara aktif.

Kebutuhan untuk metode yang lebih simple dan murah dari fabricating

nanostructures membuat pencarian untuk pendekatan konvensional yang belum

dieksplorasi oleh industry elektronik. Microfluida chip dapat dibuat dengan cepat dan

murah, dan banyak terdiri dari polimer organic dan gel. Metode yang direpresentasikan,

sebuah langkah mundur dalam teknologi. Meskipunmenggunakan tools fisika – proses

mekanika yang familiar dalam kehidupan sehari-hari:pinting, stamping, mencetak, dan

embossing. Teknik itu disebut soft lithography karena alat yang digunakan adalah

polydimethyl siloxane (PDMS) – karet polimer yang digunakan untuk menutup celah

sekeliling bathub. Untuk membawa reproduksi menggunakan soft lithography, pertama

membuat stamp. Proses menggunakan photolithography untuk memproduksi pola dalam

lapisan photoresist pada permukaan silicon wafer menghasilkan bas-relief master dalam

photoresist dari silicon. Hasil dari PDMS stamp yang sesuai dengan pola asli : stamp

mereproduksi fitur dari master sekecil beberapa nanometer. Meskipun pembuatan dengan

baik mendetail bas-relief master itu mahal karena membutuhkan pancaran electron

lithography atau teknik advance, mengcopy pola pada PDMS stamps murah dan mudah.

Dan sekali stamp sudah di tangan, bisa digunakan berbagai cara murah untuk membuat

nanostructrure.

Metode pertama – secara asli dikembagkan oleh Amit Kumar, seorang postdoctoral

student di grup Universitas Harvard – dipanggil pencetak microcontact. PDMS stamp

dihubungkan dengan sebuah solusi dari molekul organic yang disebut thiols. Stamp ini

keudian dibawa kedalam kontak dengan sebuah sheet dari paper – film emas tipis pada

glass atau silicon atau piringan polymer. Thiol bereaksi dengan permukan emas,

membentuk order film tinggi ( disebut self-assembled monolayer atau SAM ). Yang

merplekasikan pola stamp. Karena tinta thiol sedikit setelah kontak dengan permukaan,

resolusi dari monolayer tidak bisa setinggi PDMS stamp. Tetapi karena digunakan dengan

benar, pencetak micro-contact dapat menghasilkan pola dengan fitur sekecil 50 nanometer.

Metode lain soft lithography, disebut micromolding dalam kapiler, menggunakan PDMS

stamo untuk membentuk pola. Stamp ditempatkan pada permukaan keras, dan sebuah

cairan polymer oleh kapiler kedalam recesses antara permukaan dan stamp. Polymer

tersebut kemudian dipadatkan kedalam pola. Teknik ini dapat mereplikasikan struktur yg

lebih kecil dari 10 nanometer. Hal tersebut baik untuk menghasilkan subwavelength

optical device, wave guides dan optical polarizers, semua yang dapat digunakan di optical

fiber networks dan mungkni dalam optical computer.

Aplikasi yang mungkin lainnya ada di medan nanofluids, sebuah perluasan dari

microfluids yang akan melibatkan produksi chip untuk riset biokimia dengan channel

hanya beberapa nanometer lebarnya. Di skala tersebut, fluida dinamis membolehkan cara

baru untuk memisahkan material seperti fragmentasi DNA.

Metode ini tidak memerlukan perlatan khusus dan faktanya bisa dibawa dengan

tangan dalam sebuah laboratorium biasa. Photolithography konvensional harusnya

mengambil tempat dalam sebuah ruangan bersih trhindar dari dabu dan kotoran ; jika

kontaran terkena pada mask, akan membuat spot yang tidak diinginkan pada pola.

Hasilnya, peralatan yang diproduksi mungkin gagal. Soft lithography secara umum lebih

diterima karena PSDMS stamp elastis. Jika kotoran terperangkap antara stamp dan

permukaan, stamp akan mengkompres lebih dari bagian atas partikel tetapi

mempertahankan kontak dengan sisa permukaan. Begitulah, pola akan direproduksi

dengan benar kecuali untuk dimana contaminant diperangkap. Selebohnya, soft

lithography dapat memproduksi nanostructure dalam sebuah range material yang lebar,

termasuk molekul komplek organic dibutuhkan untuk studi biologi. Dan teknik dapat

dicetak pola pada kurva sebaik permukaan datar. Tetapi teknologi ini tidak ideal untuk

membuat struktur yang dibutuhkan untuk complex nanoelectronics. Soft lithography tidak

baik untuk struktur pabrik dengan lapisan banyak yang pasti stack di atas dari yang

lainnya.

Riset telah menemukan cara bagaimana, untuk membenarkan terakhir dalam

bagian – dengan menggunakan rigid stamp meskipun elastis. Dalam teknik yang disebut

step-and-flash imprint lithography, dkembangkan oleh C.Grant Willson dari Universitas

Texas, photolithography digunakan untuk mensketsa pola ke dalam sebuah piringan

quartz. Willson mengeliminasi langkah membuat PDMS stamp dari master; meskipun

master menekan melawan film tipis larutan polymer, yang mengisi recesses master.

Kemudian master diekspos ke sinar UV, yang memadatkan polimer untuk membuat

replica. Teknik yang disebut nano imprint lithography, dikembangkan oleh Stephe Y.

Chou dari Universitas Princeton juga membuat rigid master tetapi menggunakan filem

polymer yang dipanaskan pada temperature dekat titik lebur untuk mengemboss proses.

Kedua metode dapat mengahsilkan struktur dua dimensi dengan good-fidelity, tetapi

dilihat teknik yang cocok untuk manufaktur electronic device.

Pushing Atoms Around

Revolusi dalam nanoscience pada 1981 dengan scanning tunneling microscope

(STM), untuk Heinrich Rohrer dan Gerd K. Binning dari IBM Zurich laboratorium riset

menerima nobel fisika pada 1986. Alat ini mendeteksi arus kecil yang melewati natara

microscope tip dan sample, membuat peneliti dapat melihat substansi di scala individual

atom. Kesuksesan STM membawa perkembaangan , termasuk atomic force microscope

(AFM). Prinsip operatir AFM sama dengan phonograph lama. AFM dapat mendeteksi

variasi dalam permukaan topography vertical yang lebih kecil dari dimensi probe.

Tetapi alat scanning probe dapat melakukan lebih dari dengan gampang

membolehkan scientist untuk meneliti dunia atom – bisa juga untuk membuat

nanostructure. Tip pada AFM dapat digunkan untuk pergerakan fisis nanoparticle

mengelilingi permukaan dan dalam pola. Dapat juga utuk membuat goresan di permukaan.

Jika peneliti menambah arus dari tip STM, mikroskop menjadi sangat kecil sumber untuk

pancaran electron, yang dapat digunakan untuk menulis pola nanometer-scale. Tip STM

juga bisa mendorong atom yang mengelilingi permukaanuntuk membnagun ring dan wire

yang hanysatu atom lebarnya.

Sebuah metode pabrik new scanning probe disebut dip-pen lithography.

Dikembangkan oleh Chad A. Mirkin dari Universitas Northwestern, teknik ini bekerja

seperti goose-feather-pen. Tip dari AFM dielubungi dengan film tipis dari molekul thiol

yang tdak dapat dilarutkan dalam air tetapi bereaksi dengan permukaan emas. Ketika alat

ditempatkan di sebuah atmosfer yang berisi konstentrasi uap air tinggi, satu menit jatuhan

air yang terkondensasi antara permukaan emas dan tip mikroskop. Tekanan permukaan

menarik tip ke jarak dari emas, dan jarak ini tidak berubah selagi tip bergerak melewati

permukaan. Peneliti menggunakan procedure ini untuk menulis garis beberapa pergerakan

nanometer. Meskipun dip-pen lithography relative lambat, bisa menggunakan banyak tipe

molekul yang berbeda sebai penghunbung dan begitu membawa flexibility kimia ke

penulisan nanometer-scale. Peneliti belum mendapatkan aplikasi yang terbaik dari teknik

ini, tetapi satu ide untuk mengunakan metode dip-pen untuk modifikasi design sirkuit yang

baik. Mirkin mendemonstrasikan varian dari tinta yang digunakan dalam dip-pen

lithography dapat menulis dengan langsung pada silicon. Teknik ini menghasilkan macam

lain nanostructrure, disebut break junction. Ketika gaya digunakan menghancurkan wire

pertama diapplied, metal mulai yield and flow, dan diameter dari wire berkurang. Selagi

dua bergerak, wire menjadi lebih tipis hingga instant sesaat sebelum hancur, ada atom

single berdiameter di titik terdekatnya. Proses ini menipiskan wire untuk break junction

dapat dideteksi dengan mudah melewati wire. Ketika wire cukup, arus mengalir hanya di

diskrit quantity.

The Top-Down and Bottom-Up

Semua bentuk lithography yang telah dibahas adalah top-down methods, yaitu yang

dimulai dengan sebuah pola yang dihasilkan pada skala besar dan berkurang dimensi

lateralnya sebelum memotong struktur nano. Strategi ini dibutuhkan dalam memfabrikasi

devais electronic sperti microchip. Tetapi tidak ada metode top-down yang ideal; tidak ada

yang bisa dengan mudah, dengan murah dan dengan cepat membuat nanostructure dari

bebrapa material. Jadi peneliti memperlihatkan perkembangn dalam metode bottom-up,

yang memulai dengan atom atau molekul dan membangun hingga nanostructure. Metode

ini dengan mudah membuat nanostructure terkecil – dengan dimensi antara dua dan 10

nanometer – dan sangat murah. Tetapi struktur ini biasanya dihasilkan sesimple partikel

dalam suspense atau permukaan.

Dua dari metode bottom-up yang paling menonjol adalah yang digunakan membuat

nanotubes dan quantum dots. Tabung silindris dari carbon oleh proses perkembagan katalis

yang mengahsilkan nanometer-scale jtuh dari logam yang telah melebur sebagai katalis.

Quantum dots adalah Kristal berisi hanya beberapa ribu atom. Karena electron dalam

quantum dot membatasi untuk terpisah dengan lebar energy levelnya, dot mengemisikan

hanya satu panjang gelombang cahaya ketika dieksitasikan. Hal ini membuat quantum dots

berguna sebagai biological marker. Salah satu prosedur untuk membuat quantum dot

membutuhkan reaksi kimia atara ion logam dan molekul yang bisa mendonasikan ion

selenium. Reaksi ini menghasilkan cristal cadmium selenide. Kemudian molekul organic

sebagai surfaktan, mengikat permukaan cadmium selenide selagi dia berkembang. Ketika

cristal mencapai ukuran optimumnya , molekul organic melapisi permukaannya dalam

packing yang stabil.

Quantum dot memiliki beberapa kelebihan yang membuat nya lebih baik. Pertama,

warna dari fluoresene quantum dot dapat ditailored dengan mengubah ukuran dot: besar

partikel. Kedua, jika semua dot berukuran sama, spektrum fluorescene mereka dekat. Hal

ini penting karenamembolehkan partikel dari ukuran berbeda untuk digunakan sebagai

sebuah distinguishable labels. Ketiga, fluorescene quntum dot tidak memudarkan exposure

dari sinar UV, seperti organic molekul.

The Future Nanofabrication

Perkembangan nanoteknologi akan bergantung pada ketersediaan dari

nanostructure. Invensi STM dan AFM tekah membuktikan alat baru untuk melihat,

mengkarakterisasi, dan memanipulasi struktur ini; isunya sekarang adalah bagaimana

membangun mereka dan bagaimana untuk mendesign mereka untuk memiliki fingsi yang

baru dan berguna.

Hal yang terbaru pada nanofabrication adalah tidak konvesional hanya karena

mereka tidak memperoleh dari microteknologi yang dikembangkan untuk devais

elektronik.

Chemist, physicist, dan biologist dengan cepat menerima teknik ini selagi banyak

cara untuk membangun berbagai macam nanostructure untuk riset. Dan metode mungkin

menjadi suplemen untuk hal yang konvensional – photolithography, electron-beam

lithography, dan teknik lainnya – untuk aplikasi dalam elektronik. Microelectronic

sekarang digantikan denagan ide nanofabrication yang datang dari banyak arah dai sebuah

penemuan ajaib bebas-untuk-semua.