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纳米印刷技能的发展探究

2012-08-07 09:06 来源：必胜网责编：江佳

摘要：: 3DPN技术研究的前景与微接触印刷、纳米印刻印刷等近年来发展起的印刷技术相比，DPN技术具有其高分辨率、定位准确和直接书写等优点。但同时它也有图案的稳定性较弱和书写速度较慢的缺点。

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　　【CPP114】讯：采用2对DPN技术机理的新进展研究分子传输过程中实验条件的影响自然状态下进行DPN实验时，空气和基底上的水分会聚集在AFM针尖和基底之间，形成水的半月板。故很多情况下，水的半月板作为“墨水”分子从针尖到基底的传输媒介。如上文所述，基底上形成的图案受到湿度、针尖与基底接触时间和针尖在基底上书写速度等因素的影响。对湿度的影响，一些研究者认为某些情况下水的半月板在“墨水”分子传输过程中并不起作用，他们在湿度为0.0%时在基底上得到了稳定的图案。但是很多情况下，由于半月板的存在，实验结果会受到湿度影响。一方面，增大湿度时增大了水的半月板的体积，故增加了传输“墨水”分子的量;另一方面，水层阻碍了分子在基底上的吸附，从而对其传输有阻碍作用。在这两方面因素的竞争下，不同分子受到的影响不同。进一步定量地讲，湿度的影响在于它通过改变半月板的高度h而影响与针尖的接触面积。实验和理论均可以说明，增大湿度时，点的大小与半月板高度之间的关系逐渐从转变为与h成线性关系，最终变为与h2有线性关系。
　　
　　另外，针尖与基底接触时间对形成点的大小有影响。当针尖与基底相对静止时，由于“墨水”分子的自由扩散，会在基底上形成圆形点的图案。在许多实验中都发现，形成点的半径或直径与针尖和基底接触时间的平方根成线性关系。利用二维扩散模型，可以得到点半径R(t)的如下公式。在沉积速度较小和较大时分别有其中t为时间，n为单位时间内沉积的“墨水”分子数，ρ为分子单层的密度，D为扩散系数。从上面两式可以看出，在两种情况下，点的半径与接触时间的平方根均成线性关系。
　　
　　进一步地，可以建立三维模型并利用MonteCarlo模拟对湿度和针尖浸润性的影响进行研究。采用与二维模型中相同的计算方法，可以得到不同浸润性的针尖的力-距离曲线。结果显示，在各种湿度下，对亲水的针尖，针尖与基底间距h=2l时能量最低，且随间距增大吸引力逐渐减小，系统趋于不稳定;而对憎水的针尖，只有h=2l时作用力表现为吸引力，此时在针尖与基底之间形成分子单层，而在其它情况下均不形成水的半月板。
　　
　　利用三维模型得到的力一距离曲线对水的半月板的研究当对不挥发性“墨水”分子传输时，水的半月板是一个必不可少的条件。因此研究水的半月板的形成具有更重要的意义。利用NaCl为基底可以对水的半月板进行研究，通过观察在水的半月板处NaCl表面的溶解情况，可以判断水的半月板是否形成及其形状。实验发现不管针尖亲水性如何，除了在超高真空条件下，在各种湿度时都有水的半月板形成。实验中还观察到，拉脱力随着湿度的降低而降低。
　　
　　另外，对水的半月板的宽度的最小极限的研究是一个很有意义的课题，因为这将从理论上确定DPN技术分辨率的极限。利用MonteCarlo模拟可以计算出不同湿度和针尖与基底间距时的半月板宽度，得出了半月板宽度是由针尖与基底的接触半径决定的结论。在最尖的针尖极限情况下，这时针尖只有一个分子与基底接触，计算出半月板宽度最小为5分子直径大小，约1.9纳米，这同时也决定了DPN技术分辨率的极限。
　　
　　3DPN技术研究的前景与微接触印刷、纳米印刻印刷等近年来发展起的印刷技术相比，DPN技术具有其高分辨率、定位准确和直接书写等优点。但同时它也有图案的稳定性较弱和书写速度较慢的缺点。为提高其书写速度，可以用多针尖系统来代替单个针尖，使用AFM针尖的阵列在基底上书写，这种平行DPN技术将是最近和今后的一个发展热点。与此同时，关于DPN技术理论的研究仍然存在一些问题还未解决。AFM针尖的光滑度和形状对水的半月板有何影响“墨水”分子是怎么在基底表面上自组装成分子单层的。通过这种方式组装成的与其它方法制备的分子单层物理化学性质有何不同。通过对这一系列问题的研究，我们对DPN技术将有一个更为深入的了解。

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