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IV Mostra de Pesquisa
da Pós-Graduação
PUCRS
Processamento de moldes micro- e nanoestruturados para o
crescimento de nanofios por meio de litografia de varredura por
sonda
Luiz Gustavo M. S. Barbosa, Ricardo Meurer Papaléo (orientador)
Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais, Faculdade de Engenharia,
PUCRS,
Introdução
Desde a sua criação, o microscópio de varredura por sonda (scanning probe
microscope – SPM) têm sido utilizado para se adquirir conhecimento da estrutura,
organização molecular e atômica de superfícies nos campos da física, química e biologia,
colaborando para o desenvolvimento científico e tecnológico [1]. Simultaneamente, o SPM
surgiu como uma ferramenta essencial na fabricação de estruturas em nanoescala, que
podemos chamar de nanofabricação, especialmente para induzir diretamente modificações
sobre uma superfície em uma localização exata.
Uma das técnicas disponíveis nos SPMs, e que foi utilizada neste trabalho, é a
litografia por força atômica, na qual a ação direta de uma sonda fina no material provoca
modificações nanométricas na superfície da amostra de forma bastante precisa. Essa técnica é
utilizada na fabricação de máscaras litográficas [2], na deposição de material sobre superfícies
[3,4] e na construção de arranjos moleculares [5], demonstrando grande potencial para
fabricar e manipular estruturas com tamanhos menores que 100 nanômetros.
O presente trabalho teve como objetivo geral estabelecer rotinas reprodutíveis de
padrões submicrométricos em filmes finos poliméricos, utilizando a litografia de varredura
por sonda. Para isto, num primeiro momento foi feito o estudo e determinação dos parâmetros
básicos que otimizam tais rotinas. Assim os objetivos específicos foram investigar os
tamanhos dos defeitos gerados em função da força aplicada e do tempo de ação da sonda, da
espessura dos filmes finos e do peso molecular dos polímeros
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Metodologia
Filmes finos de Poli(Metacrilato de Metila) (PMMA) de diversas espessuras (4 nm 30 mn) e diferentes massas moleculares (14.000 g.mol-1, 132.000 g.mol-1 e 646.000 g.mol-1)
depositados pelo método de recobrimento por centrifugação (Spin Coating Deposition) sobre
substratos de silício tiveram suas superfícies nanoestruturadas com sondas de silício no modo
de aragem dinâmica (dynamic plowing) de um microscópio de força atômica (AFM). Para
visualização das regiões nanoestruturadas realizada no modo de contato intermitente,
colocava-se uma nova sonda de silício. Para estudar a influência da força aplicada pela sonda,
foram processadas matrizes de 5 x 5 furos na superfície da cada amostra, sendo cada matriz
processada com um valor de força controlado indiretamente por um valor de tensão chamado
set point de escrita (Vw), fixado nos valores de -0,015 V, -0,02 V e -0,03 V. Quanto maior o
módulo de Vw, maior a força aplicada pela sonda sobre a amostra. Para estudar os efeitos do
tempo de ação da sonda, foram utilizadas pausas diferentes em cada linha da matriz, variandoas de 0,1 s a 0,5 s.
Resultados e Discussão
Na Figura 1 encontram-se imagens topográficas de AFM de matrizes processadas nos
diferentes valores de Vw utilizados no trabalho, em que cada linha corresponde a um intervalo
de pausa. Através das imagens é possível observar que com o aumento da força e do tempo de
pausa, ocorre um aumento nas dimensões dos defeitos gerados sobre as superfícies
poliméricas. Isto também pode ser constatado através do gráfico do diâmetro da cavidade em
função da pausa da Figura 2(a). Nas Figuras 2(b) e 2(c) encontram-se, respectivamente, os
gráficos dos diâmetros das cavidades em função da espessura dos filmes finos e da massa
molecular dos polímeros para os tempos de pausa de 0,3 a 0,5 s. Pelos gráficos é possível
observar um aumento dos diâmetros, tanto com o aumento da espessura dos filmes como com
a massa molecular do polímero. Porém é importante observar na Figura 2(b), que para
espessura 6,5 nm o diâmetro da cavidade é menor se comparado com o da espessura de 4 nm,
para os três valores de pausa. Tal ocorrência não era esperada, uma vez que quanto maior a
camada de material sobre uma superfície, maior a porção ser deslocada do centro da cavidade.
Sendo assim, parece viável processar as matrizes de furos nos filmes finos poliméricos de
forma controlada, por meio de litografia de varredura por sonda, para filmes finos com
espessuras maiores que 15 nm.
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Figura 1: Imagens topográficas de AFM de matrizes de furos em filmes finos de PMMA de 132.000 g.mol-1 de
30 nm de espessura processadas com set points de escrita de -0,015 V em (a), -0,02 V em (b) e -0,03 V em (c).
Os tempos de pausa variam de 0,1 s a 0,5s da primeira para a quinta linha de furos em cada imagem.
Figura 2: Gráficos do diâmetro das cavidades em função da pausa para os diferentes valores de Vw em (a) e em
função da espessura dos filmes finos para as pausas de 0,3 s a 0,5 s em (b). Em (c) gráfico normalizado do
diâmetro das cavidades em função da massa molecular (Mw) para as pausas de 0,3s a 0,5 s.
Referências
[1] BINNIG, G.; Rohrer, H.; Gerber, Ch.; Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy,
Physical Review Letters, v. 49, p. 57-61, 1982.
[2] WIESAUER, K.; Springholz, G. Fabrication of semiconductor nanostructures by nanoindentation of
photoresist layers using atomic force microscopy. Journal of Applied Physics, v. 88, n. 12, p. 7289-7297, 2000.
[3] XIE, X. N.; Chung, H. J.; Sow, C. H.; Wee, A. T. S. Nanoescale materials patterning and engineering by
atomic force microscopy nanolithography, Materials Science and Engineering R, v. 54, p. 1-48, 2006.
[4] MCCORD, M. A.; Kern, D. P.; Chang, T. H. P. Direct deposition of 10-nm metallic features with scanning
tunneling microscope, Journal of Vacuum Science and Technology B, v. 6, n. 6, p. 1877-1880, 1988.
[5] WEISENHORN, A. L.; Mac Dougall, J. E.; Gould, S. A. C.; Cox, S. D.; Wise, W. S.; Massie, J.; Maivald,
P.; Elings, V. B.; Stucky, G. D.; Hansma, P. K. Imaging and Manipulating Molecules on a Zeolite Surface with
an Atomic Force Microscope, Science, v. 247, p. 1330-1333, 2009.
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