Litografía de nanoesferas

La litografía de nanoesferas ( NSL ) es una técnica económica para generar patrones de características a nanoescala , como empaquetamientos hexagonales compactos o similares, en nanoesferas . Generalmente, la NSL aplica matrices ordenadas planas de esferas de látex o sílice de tamaño nanométrico como máscaras de litografía para fabricar matrices de nanopartículas. ^{[ 1 ]} La NSL utiliza monocapas autoensambladas de esferas (típicamente hechas de poliestireno , a menudo disponible comercialmente como una suspensión acuosa) como máscaras de evaporación. Estas esferas se pueden depositar utilizando múltiples métodos, incluyendo Langmuir-Blodgett , recubrimiento por inmersión , recubrimiento por centrifugación , evaporación de disolvente , ensamblaje por fuerza e interfaz aire-agua. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Este método se ha utilizado para fabricar matrices de varios nanopatrones, incluyendo nanopuntos de oro con espaciamientos controlados con precisión. ^{[ 6 ]}

Las monocapas de nanoesferas , que se utilizan como máscaras de litografía, se pueden crear mediante múltiples métodos:

El método de Langmuir-Blodgett consiste en la deposición de nanopartículas en una cubeta de Langmuir-Blodgett que flota sobre una solución acuosa , formando una monocapa. Mediante barreras y un sensor de presión superficial , las partículas se comprimen automáticamente hasta alcanzar la densidad de empaquetamiento deseada. El recubrimiento se realiza con esta densidad mediante un sistema de inmersión motorizado, mientras que las barreras mantienen dicha densidad. Entre las ventajas del método de Langmuir-Blodgett se incluyen un control preciso de la densidad de empaquetamiento de partículas y del espesor del recubrimiento (se pueden crear monocapas o multicapas), así como la capacidad de recubrir grandes áreas homogéneas. ^{[ 3 ]} Se ha demostrado la preparación de máscaras mediante el método de Langmuir-Blodgett, por ejemplo, utilizando partículas de _SiO₂ ^{[ 7 ]} y partículas de poliestireno. ^{[ 8 ]}

El recubrimiento por inmersión es una versión simplificada del método de Langmuir-Blodgett. En este método, no se controla la densidad de empaquetamiento de las nanoesferas, sino que la inmersión se realiza directamente sobre una solución de partículas coloidales. El recubrimiento por inmersión es un método eficaz para aplicaciones donde no se requiere un control preciso de la distribución de partículas. ^{[ 3 ]}

Los métodos de recubrimiento por centrifugación y evaporación de disolventes son capaces de producir grandes áreas de partículas, pero con un control limitado sobre la homogeneidad o el espesor de la capa. ^{[ 3 ]}

La evaporación del disolvente se realiza mediante recubrimiento por goteo, y es posiblemente el método más sencillo para producir una monocapa de nanoesferas, ya que estas simplemente se depositan sobre el sustrato y se dejan secar, autoensamblándose en una monocapa. En ocasiones, el sustrato se coloca en ángulo ^{[ 9 ]} o se mueve con movimientos circulares ^{[ 10 ]} para facilitar la dispersión de la suspensión de esferas y humedecer toda la superficie.

Las monocapas autoensambladas se forman a partir de un polvo seco de nanoesferas, que generalmente se obtiene mediante centrifugación de una suspensión de nanoesferas. El polvo se frota entre dos sustratos para forzarlos a formar una monocapa. ^{[ 2 ]} Los sustratos suelen estar recubiertos con un polímero como el polidimetilsiloxano (PDMS) para favorecer la adhesión y la dispersión de las nanoesferas.

El método de interfaz aire-agua se basa en la formación de una monocapa de nanoesferas en la superficie de un baño de agua, en la interfaz aire-agua. En este método, el sustrato se mantiene sumergido en el agua, y luego se bombea agua para descender gradualmente la superficie. Finalmente, la superficie del agua se reduce por debajo del nivel del sustrato, y la monocapa en la interfaz aire-agua se deposita sobre la superficie del sustrato. ^{[ 5 ]}

La NSL es una técnica fácilmente escalable, de alto rendimiento y bajo costo que permite una precisión nanoscópica en un área arbitrariamente grande. Se puede obtener rápidamente una máscara litográfica mediante el autoensamblaje de partículas, como se describió anteriormente, cuya resolución de patrón depende completamente del tamaño coloidal que se puede depositar en matrices monocapa de alta calidad. Las mejores resoluciones alcanzadas en la literatura oscilan entre 50 nm y 200 nm, lo que es comparable a la de los sistemas de litografía convencional de última generación. ^{[ 12 ]} Además, las estructuras fabricadas se pueden producir con alta precisión a gran escala, ya que el método no está limitado en términos del área de deposición, lo que significa que ofrece la posibilidad de adaptarse a técnicas de producción en masa como el rollo a rollo. La NSL también se puede utilizar con una amplia gama de materiales, ya que utiliza pasos de baja temperatura (<100 °C), lo que la hace ideal para su uso con materiales sensibles a la temperatura (por ejemplo, sustratos flexibles a base de polímeros). ^{[ 13 ]}

El método NSL generalmente comienza con la preparación de la máscara de patrón, que comprende una matriz monocapa autoensamblada de nano/micropartículas coloidales, seguida de la producción de la nano/microestructura. El método generalmente consta de cuatro pasos principales, como se muestra en el esquema, que permiten la formación de diferentes geometrías. La variedad de técnicas que se pueden utilizar para la formación de la matriz coloidal, así como para la producción posterior de la estructura, muestra la alta versatilidad de este método para su implementación en diversas aplicaciones. Por ejemplo, es una técnica de litografía blanda preferencial para micropatrones de dispositivos fotovoltaicos , para producir estructuras que permiten la gestión de la luz ^{[ 13 ] [ 14 ]} y/o la autolimpieza . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• Nanolitografía
• Deposición de nanopartículas

• Fabricación de películas de nanopartículas altamente organizadas