Watervoorspellingen: vertellen wanneer een nanolithografievorm door druppeltjes zal breken

Ultraviolette nano-afdruklithografie (UV-NIL) is een fabricagetechniek voor het produceren van nanostructuren met behulp van UV-uithardende hars. Een van de belangrijkste voordelen is de eenvoud; UV-NIL bestaat in wezen uit het gieten van een vloeibare hars over een mal met nanostructuur, waardoor de hars stolt met behulp van UV-straling en het vervolgens uit de mal laat komen. Het resultaat is een vast polymeer met een nanostructuur die het omgekeerde is van die van de mal. Met deze techniek kan een grote verscheidenheid aan functionele apparaten en dunne films worden gemaakt voor toepassingen op gebieden als optica, elektronica, gezondheidszorg, biologieonderzoek en zonnecellen, om er maar een paar te noemen.

Het is veilig om te zeggen dat het meest waardevolle apparaat in het hele UV-NIL-proces de hoofdmal is. Om ze langer mee te laten gaan, worden replica-mallen gemaakt van de master-mal en gebruikt voor de massaproductie van nanogestructureerde apparaten. Deze replicamallen zijn echter niet zo duurzaam als de moedervorm, en ze beginnen over het algemeen macroscopische tekenen van slijtage te vertonen na een paar duizend afdrukken. Helaas bestaat er nog geen betrouwbare en standaardmethode om de levensduur van replicamallen te voorspellen.

In een recente studie gepubliceerd in Nanomaterialenhebben onderzoekers van de Tokyo University of Science en Autex Inc., Japan, een slimme strategie bedacht om te bepalen wanneer een replica-mal breekt. Ze slaagden erin om dit te doen door te kijken naar waterdruppels die bovenop een mal waren geplaatst met een patroon van uit elkaar geplaatste parallelle lijnen en op te merken hoe de hechting van de druppels verandert naarmate de mal verslijt en vervormt bij gebruik.

Maar hoe werkt zo’n methode? Vloeistofdruppels die op een oppervlak rusten, hebben een meetbare eigenschap die contacthoek wordt genoemd, de hoek waaronder de vloeistof de vaste stof bij het grensvlak ontmoet. Deze hoek is gemakkelijk meetbaar met commerciële camerasystemen.

Nu, in een matrijs met nanostructuur met parallelle lijnen (groeven), vertoont de contacthoek van water anisotropie, wat betekent dat het langs verschillende richtingen varieert. Meer in het bijzonder zal een waterdruppel die op een ongerepte mal met parallelle groeven wordt geplaatst zich meer langs de richting van de groeven verspreiden dan in de richting loodrecht op de groeven. De onderzoekers merkten echter op dat, naarmate de mal bij herhaald gebruik slijt, de contacthoek in elke richting anders verandert. Professor Jun Taniguchi van de Tokyo University of Science legt uit: “Naarmate het aantal toepassingen van de mal toeneemt, neemt de contacthoek langs de richting evenwijdig aan de groeven lineair af. Daarentegen neemt de contacthoek langs de loodrechte richting in het begin veel sneller af. en blijft dan op een constante minimumwaarde. We ontdekten dat mallen bijna precies defect raakten wanneer het aantal herhalingen de contacthoeken in beide richtingen gelijk maakte. “

De onderzoekers verifieerden hun methode met mallen met verschillende groefbreedtes, en de resultaten bleven hangen (zie bijgaande figuur). Dit betekent dat men via een eenvoudig proces nauwkeurige voorspellingen kan doen over de resterende levensduur van een mal met parallelle groeven. Controleer eerst of de contacthoek in loodrechte richting een stabiele minimumwaarde heeft bereikt. Bereken vervolgens de afnemende lijnfunctie met de opgeslagen waarden voor de contacthoek langs de parallelle richting. Bereken tenslotte het aantal keren dat deze lijn de minimumwaarde snijdt; de schimmel zal waarschijnlijk rond dat aantal breken.

Deze eenvoudige benadering zal nuttig zijn om de verwachte levensduur van matrijzen voor UV-NIL te bepalen. “Hoewel onze methode alleen van toepassing is op mallen met parallelle groeven, kan deze worden gebruikt om de duurzaamheid van malmaterialen zelf te beoordelen; de voorspelde levensduur van een malmateriaal is van toepassing op vrijwel elke vorm”, merkt dhr. Shin Hiwasa van Autex Inc. op. deze studie vult een belangrijke kenniskloof in UV-NIL en verlaagt de bijbehorende kosten door een gemakkelijke manier te bieden om te voorspellen wanneer schimmels verslijten.

De voorgestelde strategie zal deze nano-afdruktechniek hopelijk toegankelijker en betrouwbaarder maken, waardoor de acceptatie ervan zowel in onderzoek als in toepassingen voor het dagelijks leven wordt bevorderd.