Creato il violino più piccolo del mondo: è più sottile di un capello
Esistono tanti violini di piccole dimensioni, eppure uno più piccolo di questo al momento non è possibile crearlo.
Nel mondo della microelettronica e delle nanoscienze, si sente spesso parlare di litografia, una tecnica usata per “disegnare” circuiti minuscoli su materiali come silicio o vetro. Un po’ come stampare un disegno su una superficie, ma in scala talmente ridotta che servono strumenti speciali solo per accorgersene. Tra le tante varianti di questa tecnica, una delle più curiose si chiama scanning probe thermal lithography. Ed è proprio grazie a lei che sono nati… dei violini microscopici.
Sì, violini. Ma non in legno, e non per suonare. Si tratta di sagome di violino incise su scala nanometrica, una specie di esperimento artistico-tecnologico condotto durante i test di un nuovo sistema di nanolitografia combinato con camere per la deposizione di film sottili. Questo set-up, sviluppato a Loughborough University, usa un’apparecchiatura chiamata Nanofrazor, prodotta da Heidelberg Instruments, abbinata a sistemi per la deposizione fisica di vapori metallici. L’obiettivo? Sperimentare tecniche semplici ma precise per creare motivi complessi, partendo da immagini in bianco e nero o da disegni stilizzati.
La scelta dei violini non è casuale. Le loro linee curve, il contrasto tra corpo e corde e la possibilità di modularne i dettagli hanno offerto un banco di prova ideale. Nella fase iniziale si è optato per due disegni: uno senza corde e uno completo, successivamente modificato con una cornice per facilitare il lift-off del materiale superfluo e per migliorare l’allineamento tra corpo e corde.
A livello pratico, sono state testate tre diverse strategie: 1) incidere direttamente sul resist termico; 2) creare un violino di platino in un’unica fase; 3) suddividere il lavoro in più passaggi, aggiungendo le corde solo dopo aver disegnato il corpo. Vediamo ora come sono andate queste prove.
Tecnica diretta e pattern in un solo passaggio
Pattern diretto sul resist termico (PPA). In questo primo approccio, come riportato dal sito di Kelly Morrison, si è scelto di scrivere direttamente sull’polyphthalaldehyde (PPA), una resina sensibile al calore. Lavorando con il Nanofrazor, è stato possibile ottenere dettagli molto fini, fino a 20 nanometri per pixel. I violini, privi di corde, avevano una larghezza complessiva di circa 3 micron. Per dare un’idea, il collo del violino misurava appena 1,9 micron in larghezza (parliamo di dimensioni 50 volte inferiori al diametro di un capello umano). Nonostante alcuni limiti imposti dalla fase di sviluppo chimico, questa modalità ha permesso una definizione sorprendente delle sagome, ben visibile nelle immagini acquisite con microscopia a forza atomica (AFM).
Nel secondo metodo, si è utilizzata una struttura a doppio strato di resist: il PPA in alto e un sottostrato sotto. Dopo aver inciso il disegno completo (corpo + corde) con il Nanofrazor, l’area desiderata è stata sviluppata con etanolo, pulita con argon ion milling, e quindi è stato depositato uno strato sottile di titanio (per far aderire meglio il metallo) seguito da platino, tramite magnetron sputtering. Alla fine, si è proceduto con il lift-off del materiale in eccesso usando acetone. Il risultato? Piuttosto buono, anche se in alcune aree, come il collo del violino, le corde non hanno aderito perfettamente, mostrando difetti visibili al microscopio elettronico a scansione.
Stratificazione e precisione nanometrica
Per creare strutture più complesse, è necessario suddividere il processo in più fasi. Con le tecniche litografiche classiche, questo richiede marcatori e strumenti di allineamento, ma con il Nanofrazor è tutta un’altra storia. Il cantilever può leggere con precisione la topografia del substrato, anche se rivestito da uno strato doppio di resist. Questo permette di “ritrovare” esattamente il primo pattern (il corpo del violino) e allineare con estrema precisione il secondo (le corde). In pratica: si disegna il corpo, si sviluppa, si riveste di nuovo con i polimeri, si rileva l’immagine esistente e si procede a incidere le corde nel punto giusto.
Una volta allineate le corde, anche sottili come 100 nm, con spazi di almeno 100 nm tra l’una e l’altra, si ripete il ciclo: sviluppo, pulizia con plasma (o descumming), deposizione del metallo e lift-off. Questo metodo si è rivelato il più promettente in termini di precisione e replicabilità. In effetti, le immagini AFM mostrano una qualità di dettaglio notevole, con corde chiaramente visibili sovrapposte al corpo metallico. Secondo i ricercatori (fonte: Loughborough University, prof.ssa Kelly Morrison), in futuro sarà possibile arrivare a corde larghe solo 20 nm, una volta che il reattore per l’etching al plasma (RIE) sarà completamente operativo.