Fabrikasi Lubang Skala Nano dengan Throughput Tinggi pada Film Tipis Polimer Menggunakan Litografi Pembajakan Dinamis Berbasis Tip AFM
Abstrak
Kami menunjukkan bahwa pendekatan mikroskop gaya atom (AFM) tip-based dynamic plowing lithography (DPL) dapat digunakan untuk membuat lubang skala nano dengan throughput tinggi. Metode ini bergantung pada penggoresan dengan kecepatan yang relatif besar di atas permukaan sampel dalam mode sadapan, yang bertanggung jawab atas jarak pemisahan lubang yang berdekatan. Uji penggoresan dilakukan pada film tipis poli(metil metakrilat) (PMMA) menggunakan ujung pelapis karbon seperti berlian. Hasil menunjukkan bahwa 100 μm/s adalah nilai kritis dari kecepatan goresan. Ketika kecepatan goresan lebih besar dari 100 μm/s, struktur lubang dapat dihasilkan. Sebaliknya, nanogrooves dapat dibentuk dengan kecepatan kurang dari nilai kritis. Karena sulitnya memutus rantai molekul polimer keadaan kaca dengan beban frekuensi tinggi yang diterapkan dan disipasi energi rendah dalam satu interaksi ujung dan sampel, satu lubang membutuhkan 65-80 penetrasi untuk dicapai. Selanjutnya, proses pembentukan pit dianalisa secara rinci, meliputi tiga fase:deformasi elastis, deformasi plastis, dan climbing over pile-up. Secara khusus, 4800–5800 lubang dapat diperoleh dalam 1 dtk menggunakan metode yang diusulkan ini. Eksperimen dan analisis teoretis disajikan yang sepenuhnya menentukan potensi metode yang diusulkan ini untuk membuat lubang secara efisien.
Latar Belakang
Perkembangan nanoteknologi saat ini dan pesatnya telah menarik perhatian yang semakin meningkat pada penerapan struktur nano di berbagai bidang, seperti sistem nanoelektromekanis, nanosensor, dan nanofotonik. Secara khusus, nanodots, yang didefinisikan sebagai struktur nano satu dimensi, banyak digunakan di bidang penyimpanan densitas tinggi dan persiapan titik-titik kuantum [1]. Namun, fabrikasi nanodot yang efisien masih menghadapi tantangan besar. Banyak sarjana telah mengusulkan berbagai metode untuk membuat nanodots pada berbagai bahan. Diantaranya, metode sintesis kimia banyak digunakan untuk mendapatkan nanodots untuk sebagian besar deteksi properti dan perangkat skala nano [2]. Namun, sulit untuk menentukan dimensi dan distribusi spasial nanodot menggunakan metode ini. Ini menghasilkan lebih banyak upaya yang diperlukan untuk lokasi dan manipulasi dalam proses selanjutnya. Dengan demikian, banyak ahli telah mencurahkan sumber daya untuk mengeksplorasi metode yang lebih terkontrol untuk mendapatkan struktur nanodot dengan dimensi beberapa nanometer, seperti litografi berkas ion terfokus [3], litografi berkas elektron [4], dan litografi nanoimprint [5]. Namun, kompleksitas, persyaratan lingkungan yang ketat, dan/atau biaya tinggi sangat menghambat penerapan teknik ini.
Sejak mikroskop atom (AFM) ditemukan pada tahun 1986, telah umum digunakan sebagai profiler permukaan presisi tinggi [6]. Ketika gaya interaksi antara ujung AFM dan sampel diperbesar ke nilai yang relatif besar, seperti beberapa ratus nanonewton atau bahkan beberapa ratus mikronewton, bahan sampel dapat dihilangkan dengan ujung tajam secara plastis, mirip dengan alat pemotong kecil [7 ]. Energi kimia dan termal juga telah diperkenalkan dalam sistem AFM melalui oksidasi lokal [8] atau pemanasan sampel [9] untuk membantu menghilangkan bahan sampel. Oleh karena itu, menghasilkan beberapa metode manufaktur baru untuk memperluas cakupan metode nanolitografi (TBN) berbasis ujung AFM yang ada. Di antara semua metode TBN, pendekatan penghilangan mekanis adalah yang termudah dan paling fleksibel [10]. Metode ini terdiri dari pertama lekukan dan tindakan goresan berikutnya pada berbagai bahan, di mana interaksi ujung-bahan sangat tergantung pada jenis bahan, seperti logam [11], semikonduktor [12, 13], dan polimer [14]. Dengan mengontrol interaksi ujung-bahan secara tepat pada skala nano, struktur nano yang kompleks dan presisi tinggi, seperti nanodot, nanogrooves, dan bahkan struktur nano 3D, telah berhasil dibuat. Secara khusus, beberapa ahli telah melakukan proses nanoindentasi berbasis ujung AFM pada permukaan bahan semikonduktor untuk mendapatkan struktur nanodot [15, 16]. Dalam studi mereka, cacat kristal yang disebabkan oleh nanoindentation telah ditentukan menjadi situs nukleasi untuk struktur nano InAs. Namun, kekerasan bahan semikonduktor yang relatif besar dapat mengakibatkan keausan ujung yang serius. Dengan demikian, beberapa peneliti telah mengusulkan untuk melakukan proses nanoindentasi pada bahan yang lebih lembut, seperti resistan film tipis polimer, untuk terlebih dahulu membuat struktur nanodot. Struktur nanodot ini kemudian dapat ditransfer ke bahan semikonduktor dengan proses etsa ion reaktif (RIE) atau etsa basah [17]. Karena kekerasannya yang rendah dan ketebalan yang sangat tipis, lapisan penahan dapat ditembus dengan beban normal yang relatif kecil. Beberapa ahli telah mengusulkan pendekatan goresan dua langkah untuk mendapatkan susunan nanodot pada permukaan polikarbonat [18]. Metode ini bergantung pada riak material yang dibentuk oleh proses goresan konstan berbasis ujung AFM. Namun, jarak antara nanodot yang berdekatan hanya bergantung pada geometri ujung AFM, dan mekanisme pembentukan nanodot masih belum jelas.
Di sisi lain, throughput yang rendah merupakan faktor penting yang menghambat pengembangan metode nanofabrication berbasis ujung AFM. Telah ditunjukkan bahwa proses nanoindentasi berbasis ujung AFM memakan waktu untuk mendapatkan struktur nanodot skala besar [19]. Untuk mengatasi masalah ini, Vettiger et al. mempresentasikan konsep "Millipede," yang menggunakan susunan besar kantilever mikro yang beroperasi secara paralel untuk mencapai kemampuan pemesinan densitas ultra-tinggi [20]. Mempertimbangkan keausan ujung yang serius setelah proses penggoresan area yang luas, beberapa ahli telah mengusulkan operasi mode kontak intermiten baru untuk mengurangi gaya interaksi ujung-sampel, sehingga mengurangi keausan ujung [21, 22]. Namun, susunan besar kantilever mikro yang digunakan dalam pendekatan ini memerlukan proses desain dan produksi yang rumit, dan proses yang membosankan diperlukan untuk menyesuaikan posisi semua ujung pada satu probe untuk menjamin kontak dengan sampel. Oleh karena itu, beberapa peneliti telah memodifikasi sistem AFM komersial, termasuk perangkat keras dan perangkat lunak, untuk mempromosikan kemampuan pemesinan berkecepatan tinggi [23,24,25]. Dalam metode ini, tip dengan satu kantilever digunakan. Namun, hanya nanogrooves yang dapat dibuat menggunakan pendekatan ini secara efisien, dan goresan dengan kecepatan tinggi juga dapat menyebabkan keausan tip yang serius. Selain pemrosesan statis dengan ujung AFM, litografi pembajakan dinamis (DPL) berbasis ujung AFM juga semakin menarik perhatian baru-baru ini; proses ini dilakukan dengan mode sadap dari sistem AFM. Saat meningkatkan amplitudo penggerak kantilever, ujung AFM dapat menembus permukaan sampel untuk mencapai proses pemesinan [26,27,28]. Karena kontak intermiten antara tip dan sampel dalam pendekatan DPL, keausan tip dapat dikurangi, mirip dengan metode yang diusulkan dalam Ref. [21, 22]. Kedalaman mesin yang diperoleh dengan metode DPL biasanya pada urutan beberapa nanometer, yang cocok untuk fabrikasi struktur nano pada film tipis, seperti film tipis polimer resist dan bahan dua dimensi [29]. Selain itu, dalam metode DPL, kantilever ujung AFM dapat didorong untuk berosilasi pada beberapa ribu hertz, yang akan mengakibatkan ujung berinteraksi dengan permukaan sampel berkali-kali dalam waktu singkat. Dengan demikian, metode DPL bisa menjadi pendekatan potensial untuk membuat struktur lubang skala nano pada permukaan sampel film tipis secara efisien.
Dalam penelitian ini, metode fast-scan nanolithography (FSN) disajikan berdasarkan pendekatan fabrikasi DPL dan menggunakan sistem AFM komersial. Gambar 1a menunjukkan skema proses penggoresan nano dengan ujung pelapis karbon seperti berlian, yang menggambarkan tampilan ujung yang bersentuhan dengan film tipis poli(metil metakrilat) (PMMA) pada substrat silikon. Kantilever digerakkan mendekati frekuensi resonansinya untuk menghasilkan kontak intermiten antara ujung dan permukaan sampel. Amplitudo penggerak ujung dipertahankan pada nilai konstan oleh sistem kontrol (AM-AFM). Modul Nanoman yang dilengkapi pada sistem AFM digunakan untuk semua proses pemesinan, dan arah goresan dipilih sejajar dengan sumbu panjang kantilever. Pengaruh kecepatan goresan pada struktur nano mesin dipelajari. Selain itu, mekanisme pembentukan struktur lubang juga diselidiki.
a Skema proses goresan garis pada permukaan film PMMA dengan metode FSN. Kantilever berosilasi pada frekuensi resonansinya f dalam arah vertikal. Kecepatan goresan v dimodifikasi sepanjang arah pemindaian cepat. Berbagai rentang kecepatan goresan digambarkan:b kecepatan goresan tinggi, c kecepatan goresan sedang, dan d kecepatan goresan rendah
Metode
Konsentrasi larutan PMMA adalah 1,25 berat, dibuat dengan melarutkan bubuk PMMA dengan berat molekul Mw = 120.000 ke dalam klorobenzena. Film PMMA disiapkan dengan memutar larutan pada sepotong substrat kristal tunggal Si, yang dibersihkan dengan rendaman ultrasonik berturut-turut dalam aseton dan alkohol selama kurang lebih 10 menit. Kecepatan pemintalan dipilih menjadi 6000 rpm dalam eksperimen untuk menghasilkan film dengan ketebalan beberapa puluh nanometer. Setelah proses pelapisan, film PMMA pasca-panggang pada 125 °C, yang mendekati suhu transisi gelas PMMA, selama 30 menit.
Eksperimen dioperasikan dengan AFM komersial (Ikon Dimensi; Bruker Corporation, USA). Ujung silikon dipilih dengan konstanta pegas nominal 42 N/m dan frekuensi resonansi 320 kHz, yang disediakan oleh pabrikan (TESPD; Bruker Corporation, USA). Sisi ujung kantilever dikeraskan dengan lapisan karbon seperti berlian (DLC) untuk memperpanjang umur ujung. Pengukuran struktur nano pada permukaan PMMA diatur ke mode penyadapan dengan kecepatan pindai 1 Hz dan garis pindai 256. Sistem kantilever harus disetel saat menggunakan probe yang berbeda. Titik pengaturan disetel sekitar 300 mV dalam penelitian ini. Gambar diproses dengan perataan orde pertama menggunakan perangkat lunak Analisis Nanoskop yang disediakan oleh Perusahaan Bruker.
Modul Nanoman yang dilengkapi dalam sistem AFM digunakan untuk proses penggoresan dalam penelitian ini, yang diadopsi secara luas untuk merancang lintasan ujung untuk mencapai struktur yang diinginkan, seperti persegi panjang atau lingkaran, pada permukaan sampel. Untuk memodifikasi permukaan, nilai amplitudo drive ujung harus ditingkatkan menjadi Vw (menulis), di mana interaksi antara ujung dan film PMMA dipromosikan untuk menjamin ujung menembus permukaan sampel. Setelah proses penggoresan, nilai amplitudo drive tip langsung turun ke Vr (membaca) tanpa mengubah kantilever. Dibandingkan dengan metode litografi pembajakan statis, keausan ujung terbukti sangat kecil dengan DPL, dan dengan demikian, dapat diabaikan. Dengan menghindari mengubah probe dan mencari lokasi struktur nano, metode pencitraan in situ ini dapat meningkatkan efisiensi proses penggoresan. Semua eksperimen dioperasikan pada suhu kamar.
Hasil dan Diskusi
Mempertimbangkan batasan kecepatan AFM PZT, kecepatan goresan dalam kisaran 0,1 hingga 1000 m/dtk dipilih dalam pengujian eksperimental. Gambar 1 menunjukkan skema proses pemesinan nano, termasuk tiga rentang kecepatan. Saat menggaruk dengan kecepatan yang relatif besar (sekitar beberapa ratus mikrometer per detik), lubang terpisah dapat terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Saat kecepatan goresan melambat ke nilai sedang (sekitar 100 μm/s), lubang dapat saling tumpang tindih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d, ketika kecepatan goresan mencapai nilai yang relatif kecil (puluhan mikrometer per detik), lubang dapat diubah menjadi nanogrooves. Hasil ini menunjukkan bahwa jarak antara dua lubang fabrikasi bergantung pada kecepatan goresan, yang memiliki pengaruh besar pada pola nano yang dibuat.
Dalam penelitian ini, empat arah goresan khas dipilih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. V1 dan V3 mewakili goresan sepanjang sumbu panjang kantilever; V2 dan V4 didefinisikan sebagai goresan tegak lurus terhadap sumbu panjang kantilever. Lintasan ujung diperoleh dengan mengontrol AFM PZT. Gambar 3 menunjukkan gambar AFM dari struktur nano garis persegi yang dibuat dengan kecepatan goresan yang berbeda dan penampang struktur nano yang sesuai yang digores dengan arah V1 , bila frekuensi resonansi kantilever adalah 380 kHz. Dengan kecepatan goresan yang relatif besar 200 m/s, lubang kontinu dapat terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Untuk empat arah goresan yang ditetapkan sebelumnya, lubang akan segera terbentuk jauh kurang dari 1 s, meskipun kecepatan goresan menjauh pada titik balik kedua arah. Dengan kecepatan goresan sedang (100 m/s), tidak ada lubang yang jelas dapat ditemukan di sepanjang jalur pemesinan dan struktur nano yang berfluktuasi terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Hanya satu lubang dengan kedalaman yang jauh lebih besar yang dapat diamati di persimpangan dua jalur goresan yang berdekatan, yang dapat dijelaskan sebagai berikut. Selama periode transformasi antara dua jalur penggoresan yang berdekatan, kecepatan penggoresan harus melambat hingga 0 dan ujungnya dapat menekan permukaan sampel lebih sering daripada dalam kasus penggoresan, yang mungkin menjadi alasan yang mungkin untuk menghasilkan kedalaman yang lebih besar. dari lubang. Kecepatan goresan 100 μm/s dapat dianggap sebagai nilai kritis untuk membuat lubang kontinu pada film tipis PMMA. Gambar 3c menunjukkan nanogroov yang dikerjakan dengan kecepatan goresan 50 μm/s. Dari penampang nanogroove mesin, dapat diamati bahwa bagian bawah nanogroove relatif datar dan kedalaman nanogroove yang jelas dapat terbentuk. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, karena ujung bajak pada film PMMA, tidak ada chip yang terbentuk selama goresan dan hanya tumpukan yang dapat terbentuk, di satu sisi atau kedua sisi alur. Selain itu, profil sisi yang berbeda dari struktur nano yang diperoleh tidak konsisten ketika digores dengan arah yang berbeda, yang mirip dengan hasil menggunakan litografi statis dengan ujung asimetris. Untuk material resistan lain seperti SU-8 atau polystyrene (PS), nilai ambang kecepatan penggoresan akan berbeda dari film PMMA, karena modulus relaksasi tegangan yang berbeda. Namun, nilai ambang batasnya dapat diperoleh melalui eksperimen goresan dengan mengikuti pendekatan yang sama dari penelitian ini.
a Empat arah goresan yang khas (V1 , V2 , V3 , dan V4 ) dipilih untuk fabrikasi nanomachining dalam penelitian ini. b Lintasan ujung dengan umpan untuk pola area luas
Gambar AFM dari tiga jenis struktur nano dan penampangnya dengan kecepatan goresan a 200 μm/s, b 100 μm/s, dan c 50 μm/dtk
Dengan kecepatan goresan kurang dari 100 μm/s, nanogrooves dengan kualitas yang baik dapat diperoleh. Gambar 4 menunjukkan hubungan antara kedalaman mesin nanogroove dan kecepatan goresan dengan arah goresan yang berbeda yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Untuk setiap nanogroove, kedalaman eksperimental dihitung dengan rata-rata lima nilai kedalaman di lima lokasi berbeda. Jarak goresan untuk semua arah goresan adalah sama—1 μm dalam penelitian ini. Dapat diamati bahwa kedalaman mesin berkurang dengan meningkatnya kecepatan goresan untuk semua arah goresan. Salah satu kemungkinan penyebabnya dapat dijelaskan sebagai berikut. Untuk jarak goresan 1 μm seperti yang dipilih dalam penelitian ini, jumlah operasi tekan di bawah kecepatan goresan 100 μm/s dan 1 μm/s masing-masing akan menjadi 3870 dan 387.000. Untuk jarak goresan yang sama, sejumlah besar operasi tekan oleh ujung AFM dapat menyebabkan persentase tumpang tindih yang relatif besar antara operasi tekan yang berdekatan, yang dapat menghasilkan kedalaman mesin nanogroove yang lebih besar. Selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, kedalaman nanogroove yang tergores ke segala arah konsisten ketika kecepatan goresan kurang dari 5 m/s, sedangkan kedalaman nanogroove yang digerakkan ke arah V3 menjadi jauh lebih kecil daripada kedalaman mesin yang diperoleh dengan arah lain dengan kecepatan goresan lebih besar dari 5 m/s. Selain itu, batang kesalahan dari kedalaman mesin yang diperoleh dalam arah V3 jauh lebih besar ketika kecepatan goresan kurang dari 5 m/s dibandingkan dengan yang lain. Salah satu kemungkinan penyebabnya dapat dijelaskan sebagai berikut. Probe geometrik AFM yang digunakan dalam penelitian ini tidak simetris, dan kemiringan probe yang disebabkan oleh kemiringan kantilever tipikal 12°, digunakan untuk memastikan bahwa hanya ujung AFM yang akan menyentuh permukaan sampel, dapat menghasilkan perbedaan area kontak. antara ujung dan permukaan sampel dengan arah goresan yang berbeda. Untuk kecepatan goresan kurang dari 5 m/s, area tumpang tindih dari operasi pers yang berdekatan sangat besar. Dengan demikian, bidang kontak antara ujung dan permukaan sampel juga sangat besar. Oleh karena itu, pengaruh arah goresan pada kedalaman mesin dapat diabaikan. Namun, tumpukan yang terbentuk di sepanjang permukaan ujung juga bergantung pada arah penggoresan, yang serupa dengan proses penggarukan statis. Oleh karena itu, tumpukan tidak dapat dibentuk dengan mantap di V3 arah goresan. Angka-angka yang disisipkan pada Gambar. 4a, b adalah penampang nanogrooves tipikal yang dikerjakan dengan kecepatan goresan masing-masing 0,5 dan 50 m/s. Dari penampang nanogroove yang dikerjakan dengan kecepatan goresan 0,5 μm/s, bagian bawah nanogroove berfluktuasi saat menggaruk V3 arah, yang dapat menghasilkan bilah kesalahan yang relatif besar untuk kedalaman mesin. Untuk penggoresan dengan kecepatan lebih besar dari 5 μm/s, area yang tumpang tindih dengan operasi tekan yang berdekatan menjadi kecil. Dengan demikian, arah goresan memainkan peran penting, yang dapat menghasilkan kedalaman mesin yang relatif kecil yang diperoleh dalam V3 arah goresan.
Ketergantungan kedalaman alur pada kecepatan penggoresan dalam arah penggoresan biasa:aV1 dan V3 , sejajar dengan sumbu panjang kantilever; bV2 dan V4 , tegak lurus terhadap sumbu panjang kantilever. Sisipan menunjukkan penampang nanogrooves untuk kecepatan goresan 0,5 dan 50 μm/s
Film tipis PMMA adalah jenis bahan yang bergantung waktu dan viskoelastik. Dengan demikian, beban periodik yang diterapkan oleh ujung AFM mungkin memiliki pengaruh pada modulus Young sampel. Representasi umum untuk modulus relaksasi stres G didefinisikan oleh G1 dan G2 [30]:
dimana Gr adalah konstanta dan ω ada hubungannya dengan frekuensi. H (τ ) adalah spektrum waktu relaksasi yang berkontribusi pada relaksasi stres, yang memiliki hubungan dengan waktu relaksasi antara lnτ dan lnτ + d (lnτ ). Ketika frekuensi eksitasi diatur ke nilai yang mendekati frekuensi resonansi kantilever, yaitu 387 kHz, modulus dapat mencapai nilai tinggi. Dari perhitungan menggunakan persamaan yang disebutkan di atas, film tipis PMMA hadir sebagai keadaan kaca dengan beban frekuensi tinggi yang diterapkan [30]. Karena mode penyadapan digunakan di seluruh proses pemesinan, gaya interaksi dan disipasi energi antara ujung AFM dan permukaan sampel selama proses penggoresan relatif kecil, dan bahkan amplitudo penggerak Vw /Vr diatur ke nilai yang relatif tinggi, mulai dari 10 hingga 20. Dengan kondisi pemesinan ini, karena sifat seperti kaca dari film tipis PMMA dan beban yang diterapkan relatif kecil oleh ujung AFM, rantai antara molekul polimer tidak dapat rusak dan deformasi plastis sulit dihasilkan untuk memodifikasi permukaan sampel dengan satu siklus operasi tekan. Namun, tip memiliki energi yang cukup (> 1~2 eV) untuk mencapai ini selama 20-30 kali pertama operasi tekan [27]. Dengan demikian, ikatan rantai antara molekul polimer dapat terputus untuk menghasilkan deformasi plastis pada permukaan film tipis.
Jarak spasi antara operasi tekan yang berdekatan merupakan parameter kritis yang memiliki hubungan dengan kecepatan goresan dan frekuensi osilasi ujung. Jarak satu garis pit (L ) dapat diperoleh dengan waktu yang digunakan untuk satu garis pit (t ) dikalikan dengan kecepatan goresan (v ). Jumlah total osilasi ujung AFM dalam satu garis lubang (N ) dapat dihitung menggunakan frekuensi osilasi kantilever (f ) dikalikan dengan waktu (t ). Jadi, jarak spasi antara operasi tekan yang berdekatan (D ) dapat diperoleh dengan Persamaan. 4.
$$ D=\frac{L}{N}=\frac{v}{f} $$ (4)
Frekuensi getaran alami kantilever yang dipilih dalam penelitian ini adalah sekitar 387 kHz. Frekuensi penggerak sistem AFM dipilih untuk mendekati nilai ini. Seperti disebutkan di atas, kecepatan goresan harus dipilih dalam kisaran 200 hingga 900 m/s untuk menjamin pembentukan lubang. Jadi, jarak spasi antara operasi pers yang berdekatan (De ) selama proses penggoresan dapat dihitung dalam rentang 0,52 hingga 2,33 nm, yang dilambangkan sebagai kurva merah pada Gambar 5a. Kurva biru pada Gambar 5a menunjukkan hubungan antara jarak spasi antara lubang yang berdekatan (D ) diperoleh dari percobaan dan kecepatan goresan. Gambar AFM inset diperoleh untuk lubang yang dikerjakan dengan tiga kecepatan goresan khas 400, 600, dan 800 μm/s. Oleh karena itu, jumlah operasi tekan untuk satu formasi lubang dapat dihitung sebagai rasio D untuk De ditunjukkan pada Gambar. 5b. Dengan asumsi bahwa kecepatan goresan adalah nilai konstan, 4800–5800 lubang dapat dihasilkan pada film tipis PMMA dalam 1 s, seperti yang dihitung dari panjang goresan (L ) dan jarak spasi (D ). Dari Gambar 5b, dapat diamati bahwa jumlah operasi tekan untuk satu formasi lubang meningkat dengan meningkatnya kecepatan penggoresan dan sebagian besar berkisar antara 65 hingga 80. Mengingat tingkat medan antara dua lubang hampir sama dengan dimensi lubang, hanya sekitar 32-40 operasi tekan yang diperlukan untuk memutuskan rantai polimer untuk menghasilkan deformasi plastis dari permukaan sampel, yang konsisten dengan kesimpulan Cappella [27]. Selain itu, dapat disimpulkan bahwa rantai polimer lebih mudah putus jika digores dengan kecepatan yang relatif kecil. Dalam penelitian ini konstanta pegas kantilever adalah identik. Kantilever yang lebih kaku dapat digunakan untuk pembuatan lubang, yang menghasilkan gaya yang diterapkan lebih besar dan frekuensi resonansi yang lebih tinggi. Jika gaya yang lebih besar diterapkan pada permukaan sampel, input energi meningkat di setiap siklus. Disipasi energi lebih banyak berkontribusi pada deformasi film PMMA. Oleh karena itu, satu lubang dapat dihasilkan dengan siklus yang berkurang. Namun, jika frekuensi resonansi ditingkatkan untuk sistem osilasi, siklus operasi tekan antara permukaan sampel dan ujung dengan demikian meningkat. Selain itu, disipasi energi akan meningkat dalam satu siklus, karena titik pengaturan menurun dalam percobaan. Kecepatan kritis dapat ditentukan oleh nilai titik pengaturan. Berdasarkan pembahasan di atas, nilai ambang batas kecepatan dapat dipengaruhi oleh gaya yang diberikan, frekuensi resonansi sistem kantilever, dan titik pengaturan, yang akan menjadi fokus penyelidikan di masa mendatang.
a Variasi D dan De dengan kecepatan goresan (200–900 μm/s); sisipan menunjukkan hasil fabrikasi untuk berbagai kecepatan goresan. b Rasio D untuk De
Proses pembentukan pit ditunjukkan pada Gambar 6, termasuk tiga fase:deformasi elastis, deformasi plastis, dan memanjat tiang pancang. Menurut diskusi di atas, selama goresan ujung melintasi jarak dari Gambar. 6a, b, jumlah operasi tekan tidak cukup besar untuk memutus rantai polimer film tipis PMMA dan menghasilkan deformasi plastis pada permukaan sampel. Telah ditunjukkan bahwa ujung berosilasi menembus ke dalam sampel polimer secara bertahap selama 40-50 operasi pertama [27]. Dibandingkan dengan proses indentasi di Ref. [27], menekan dengan kecepatan lateral bisa menghasilkan jarak antara dua penetrasi yang berdekatan. Namun, jarak antara dua penetrasi yang berdekatan (dalam kisaran 0,52 hingga 2,33 nm) jauh lebih kecil daripada jari-jari ujung AFM (sekitar 15 nm). Dengan demikian, situasi dalam penelitian ini mirip dengan kasus proses indentasi. Karena kurangnya akumulasi energi selama 30-40 penetrasi awal, tidak ada deformasi plastis yang jelas dapat ditemukan di wilayah pemesinan. Hasil ini menunjukkan bahwa mekanisme disipasi energi yang dominan adalah deformasi elastis pada tahap pertama penggarukan. Dengan demikian, ujung AFM meluncur dalam kontak terus menerus dengan permukaan sampel selama periode waktu antara Gambar 6a, b. Ketika jumlah penetrasi yang dilakukan oleh ujung AFM mencapai nilai kritis (40 kali dalam penelitian ini), rantai polimer mulai putus dan terjadi deformasi plastis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c. Pada saat yang sama, akan ada tegangan normal dan tegangan geser yang terjadi pada permukaan interaksi antara muka depan ujung AFM dan bahan sampel; dengan demikian, tumpukan dapat dihasilkan di depan muka depan ujung AFM. Sebuah regangan (Δ) akan terjadi, dikaitkan dengan gerakan ujung lateral terhadap tumpukan. Ini akan menghasilkan tegangan di dalam film polimer, yang dapat dilepaskan oleh perambatan retak [31]. Laju pelepasan energi regangan Vs dapat digambarkan sebagai:[32].
dimana E adalah modulus Young dari bahan polimer dan L adalah panjang cacat internal. h mewakili kedalaman penetrasi total ke permukaan bebas sampel. Istilah energi permukaan A mengontrol proses cacat internal, yang sama dengan laju pelepasan energi regangan melalui kesetimbangan termodinamika. Istilah energi permukaan tergantung pada kecepatan propagasi dari cacat internal (vL ), yang diberikan oleh [33].
$$ W={W}_0\left(1+\alpha {v}_L^n\kanan) $$ (6)
dimana vL sama dengan dL /dt dan α adalah nilai konstan yang terkait dengan bahan sampel. n juga merupakan parameter yang berhubungan dengan material. Sebuah gaya tangensial diterapkan pada puncak ujung dapat dihasilkan oleh energi elastis yang tersimpan dalam substrat polimer, yang dapat dinyatakan sebagai [32]:
$$ {F}_t=\frac{Eah}{2}\frac{\varDelta }{L} $$ (7)
dimana a mewakili jari-jari area kontak antara ujung dan sampel. Karena kekakuan probe jauh lebih besar daripada kekakuan sampel, material dapat dikeluarkan dari lubang yang terbentuk [31]. Namun, Mindlin mendefinisikan nilai kritis dari gaya yang dapat mengakibatkan ujung tergelincir pada permukaan substrat [34]. Gaya tangensial kritis (Ftc ) untuk gerakan geser dapat ditentukan sebagai fungsi dari gaya rekat dan beban normal, yang dinyatakan sebagai [35,36,37,38]:
dimana μ adalah koefisien gesekan. P adalah normal, dan R mewakili jari-jari ujung AFM. Ketika Ft mencapai nilai kritis Ftc , ujung AFM akan meluncur di atas tumpukan material alih-alih mendorong material keluar dari lubang yang dihasilkan oleh ujungnya. Kontak putus pada setiap siklus, dan dengan demikian, slip dapat lebih mudah terjadi pada setiap siklus dalam mode penyadapan. Meskipun titik pengaturan tidak mendekati 100% dari pengurangan osilasi ujung, periode waktu kontak dapat terjadi selama satu siklus dan stick dapat terjadi selama periode waktu ini.
Skema pembentukan pit dengan a , b tahap elastisitas, c , d tahap plastisitas, e , f panggung slide, dan g diagram prioritas pembentukan lubang
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d, dalam penelitian ini, kedalaman penetrasi ujung AFM ke permukaan sampel menjadi lebih besar karena berkurangnya bidang kontak ujung-sampel ketika ujung AFM mengalami kecepatan lateral. Ketinggian tumpukan juga meningkat. Ini dapat berkontribusi untuk menyeimbangkan beban normal yang diterapkan oleh ujung AFM. Pada saat yang sama, gaya tangensial diterapkan pada puncak ujung yang dijelaskan dalam Persamaan. 7 could also be increased. With an increasing penetration depth, the tangential force could reach the critical value Ftc given in Eq. 8. The AFM tip starts to slide on the formed pile-up without modifying the material. Because of the characteristics of the tracking sample surface of the AFM system, the AFM tip would rise to climb over the pile-up, as shown in Fig. 6e. After the AFM tip moved over the pile-up, one pit could be achieved and another pit would be fabricated by repeating the above steps. The corresponding deformation mechanism of each stage of pit formation can be found in Fig. 6g.
According to the previous experimental results, the scratching velocity should be set to larger than 100 μm/s. As shown in Fig. 2b, scratching directions V1 dan V3 are selected and a feed perpendicular to the scratching direction is conducted to achieve pit arrays with a large dimension of 5 μm. Figure 7a shows the pit arrays obtained with a scratching velocity of 400 μm/s. Figure 7b, c shows the local and 3D AFM images of the machined pits, respectively. Because the scratching velocity slows down to 0 near the transition point of two different scratching directions, the depths of the first and last pits of one horizontal scratching path are much larger than the pits in the middle. One possible reason is explained above. As shown in Fig. 7b, c, the pits in the middle of the scratching path are distributed evenly, which may result from the constant velocity. Moreover, it can be observed from the cross-section of the pits shown in Fig. 7d that the depths of the pits are approximately 2.5 nm. In addition, because of the opposite scratching directions of the adjacent paths, the geometries of the pits in adjacent lines are different. As shown in Fig. 8a, with a scratching velocity of 200 μm/s, the spacing distance between the adjacent pits is relatively small and the geometries of the pits are close to circular. From the fast Fourier transform (FFT) image of the pits, high-density pits can be obtained with a scratching velocity of 200 μm/s. When scratching with a velocity of 900 μm/s, as shown in Fig. 8b, the spacing distance is nearly 100 nm and differences between pits obtained with different scratching directions can be clearly observed. Also from the FFT image of the pits, with a scratching velocity of 900 μm/s, only low-density pits can be achieved.
AFM images of an array of pits with a scratching velocity of 400 μm/s, a a dimension of 5 μm, b a portion of a with a dimension of 2 μm, c a 3D AFM image of b , dan d a cross-section of pits for the red line in b
AFM image of pit arrary with a dimension of 2 μm and FFT image of the morphology. The scratching velocities are a 200 μm/s and b 900 μm/s
Kesimpulan
To improve the fabrication efficiency with the tip-based DPL method, a scratching velocity that ranges from 0.1 to 1000 μm/s is investigated and demonstrated based on the commercial AFM tapping mode. In the present study, results demonstrate that 100 μm/s is the critical value of the scratching velocity for the formation of pits. Nanogrooves with a pile-up can be obtained with scratching velocities less than the critical value. With scratching velocities greater than 5 μm/s, the machined depths are consistent in all typical directions except the V3 direction, in which the machined depth becomes much smaller. In contrast, the depth is independent of the scratching direction. Separate pits can be generated with scratching velocities larger than the critical value of 100 μm/s. The total number of fabricated pits can reach nearly 4800–5800 in 1 s, when the scratching velocity is a constant value ranging from 200 to 900 μm/s. According to the stress relaxation modulus theory, the polymer surface is in the condition of a glass state when applying a high-frequency load. The energy applied on the sample surface is not large enough to break PMMA molecular chains during one penetration of the AFM tip. To form one pit, 65 to 80 penetrations are required. For the initial stage of penetration, elastic deformation is the dominant material removal mechanism. When the number of penetrations reaches 40 times, the polymer chains start to break and plastic deformation occurs. With increasing penetration depth, the height of the material accumulated beside the machined pit becomes larger, which will lead to an increase in the tangential force applied on the tip apex. This is the possible reason for the AFM tip sliding over the pile-up, after which one pit is created. Finally, pit arrays with dimensions of 5 μm, spacing distance of 70 nm, and machined depth of 2.5 nm are achieved successfully. FFT images are used to reveal the relationship between the density of pits and the scratching velocity.
