Desenvolvimento de tecnologia de litografia controlada por nanoesferas

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3350 (2023) Citar este artigo

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Este trabalho é dedicado ao desenvolvimento da tecnologia de litografia de nanoesferas (NSL), que é um método eficiente e de baixo custo para formar nanoestruturas para nanoeletrônica, bem como aplicações optoeletrônicas, plasmônicas e fotovoltaicas. A criação de uma máscara de nanoesferas por spin-coating é um método promissor, mas pouco estudado, exigindo uma grande base experimental para diferentes tamanhos de nanoesferas. Assim, neste trabalho, investigamos a influência dos parâmetros tecnológicos do NSL por spin-coating na área de cobertura do substrato por uma monocamada de nanoesferas com diâmetro de 300 nm. Verificou-se que a área de cobertura aumenta com a diminuição da velocidade e tempo de centrifugação, teor de isopropil e propilenoglicol, e com o aumento do teor de nanoesferas em solução. Além disso, o processo de redução controlada do tamanho de nanoesferas em plasma de oxigênio acoplado indutivamente foi estudado em detalhes. Foi determinado que o aumento da taxa de fluxo de oxigênio de 9 para 15 sccm não altera a taxa de corrosão do poliestireno, enquanto a alteração da potência de alta frequência de 250 para 500 W aumenta a taxa de corrosão e nos permite controlar a diminuição do diâmetro com alta precisão. Com base nos dados experimentais, os parâmetros tecnológicos ideais de NSL foram selecionados e a máscara de nanoesferas em substrato de Si foi criada com área de cobertura de 97,8% e reprodutibilidade do processo de 98,6%. A redução subsequente do diâmetro da nanosfera permite obter nanoagulhas de vários tamanhos, que podem ser usadas em cátodos de emissão de campo. Neste trabalho, a redução do tamanho das nanoesferas, ataque com silício e remoção de resíduos de poliestireno ocorreram em um processo contínuo unificado de ataque a plasma sem descarga da amostra para a atmosfera.

A criação de arranjos ordenados de nanoestruturas de silício é de grande interesse para os pesquisadores devido às suas propriedades únicas e aplicações potenciais em vários componentes de dispositivos eletrônicos1,2, plasmônicos3,4, fotônicos5, fotovoltaicos6,7, bem como espectroscopia Raman aprimorada de superfície ( SERS)8. Por exemplo, os autores do9 criaram um protótipo de transistores de efeito de campo de nanofios integrados verticalmente (SiNW-FETs) com base em estruturas de silício orientadas verticalmente. Além disso, os SiNW-FETs são promissores para biossensores devido à sua ultrassensibilidade, seletividade e capacidade de detecção em tempo real e livre de rótulos10. Sabe-se também que as células solares feitas com base em nanoestruturas de silício orientadas verticalmente são promissoras na indústria de energia solar. Isso se deve a vantagens como o aumento da eficiência do aprisionamento de luz devido ao seu espalhamento múltiplo dentro da estrutura, com massa e espessura da célula muito menores em comparação com as células planares11. Outra aplicação promissora de nanoestruturas de silício orientadas verticalmente, ou seja, nanoagulhas, é seu uso como cátodos de emissão de campo (frio) em dispositivos de eletrovácuo. Ao contrário dos cátodos termiônicos, neste caso os elétrons não precisam ser pré-excitados para sua emissão sob a ação do campo elétrico12,13.

No entanto, um dos principais problemas do desenvolvimento de tecnologia nessa direção é a falta de métodos simples para formar um padrão na superfície do substrato para obter a topologia necessária. Normalmente, técnicas litográficas tradicionais, como litografia ultravioleta extrema (EUV) e litografia por feixe de elétrons (EBL), combinadas com um processo de corrosão por plasma seco, são usadas para criar nanoestruturas com tamanho e forma controláveis. Por exemplo, em 14 os autores demonstram seu sensor de índice de refração baseado em uma matriz de nanodiscos de silício ressonante com diâmetro de 330 nm, que foram fabricados usando EBL e corrosão de íons reativos. Em outro artigo15, os autores apresentam um processo para fabricar uma matriz de nanofios metálicos menores que 100 nm de diâmetro usando EUV e corrosão por plasma em oxigênio. Apesar de o uso de radiação de comprimento de onda curto e um método alternativo de exposição permitirem reduzir o tamanho das estruturas obtidas, esses métodos são caracterizados por gastos financeiros e de tempo significativos, bem como complexidade técnica em sua realização16. Nesse sentido, a busca e estudo de abordagens mais simples, baratas e produtivas para a formação de nanoestruturas com determinados parâmetros tornou-se de primordial relevância e significado prático.