淺析納米印刷技能的發展探究

采用2對dpn技術機理的新進展研究分子傳輸過程中實驗條件的影響自然狀態下進行dpn實驗時，空氣和基底上的水分會聚集在afm針尖和基底之間，形成水的半月板。故很多情況下，水的半月板作為“墨水”分子從針尖到基底的傳輸媒介。如上文所述，基底上形成的圖案受到濕度、針尖與基底接觸時間和針尖在基底上書寫速度等因素的影響。對濕度的影響，一些研究者認為某些情況下水的半月板在“墨水”分子傳輸過程中并不起作用，他們在濕度為0.0％時在基底上得到了穩定的圖案。但是很多情況下，由于半月板的存在，實驗結果會受到濕度影響。一方面，增大濕度時增大了水的半月板的體積，故增加了傳輸“墨水”分子的量；另一方面，水層阻礙了分子在基底上的吸附，從而對其傳輸有阻礙作用。在這兩方面因素的競爭下，不同分子受到的影響不同。進一步定量地講，濕度的影響在于它通過改變半月板的高度h而影響與針尖的接觸面積。實驗和理論均可以說明，增大濕度時，點的大小與半月板高度之間的關系逐漸從轉變為與h成線性關系，最終變為與h2有線性關系。
另外，針尖與基底接觸時間對形成點的大小有影響。當針尖與基底相對靜止時，由于“墨水”分子的自由擴散，會在基底上形成圓形點的圖案。在許多實驗中都發現，形成點的半徑或直徑與針尖和基底接觸時間的平方根成線性關系。利用二維擴散模型，可以得到點半徑r（t）的如下公式。在沉積速度較小和較大時分別有其中t為時間，n為單位時間內沉積的“墨水”分子數，ρ為分子單層的密度，d為擴散系數。從上面兩式可以看出，在兩種情況下，點的半徑與接觸時間的平方根均成線性關系。
進一步地，可以建立三維模型并利用montecarlo模擬對濕度和針尖浸潤性的影響進行研究。采用與二維模型中相同的計算方法，可以得到不同浸潤性的針尖的力－距離曲線。結果顯示，在各種濕度下，對親水的針尖，針尖與基底間距h＝2l時能量最低，且隨間距增大吸引力逐漸減小，系統趨于不穩定；而對憎水的針尖，只有h＝2l時作用力表現為吸引力，此時在針尖與基底之間形成分子單層，而在其它情況下均不形成水的半月板。
利用三維模型得到的力一距離曲線對水的半月板的研究當對不揮發性“墨水”分子傳輸時，水的半月板是一個必不可少的條件。因此研究水的半月板的形成具有更重要的意義。利用nacl為基底可以對水的半月板進行研究，通過觀察在水的半月板處nacl表面的溶解情況，可以判斷水的半月板是否形成及其形狀。實驗發現不管針尖親水性如何，除了在超高真空條件下，在各種濕度時都有水的半月板形成。實驗中還觀察到，拉脫力隨著濕度的降低而降低。
另外，對水的半月板的寬度的最小極限的研究是一個很有意義的課題，因為這將從理論上確定dpn技術分辨率的極限。利用montecarlo模擬可以計算出不同濕度和針尖與基底間距時的半月板寬度，得出了半月板寬度是由針尖與基底的接觸半徑決定的結論。在最尖的針尖極限情況下，這時針尖只有一個分子與基底接觸，計算出半月板寬度最小為5分子直徑大小，約1.9納米，這同時也決定了dpn技術分辨率的極限。
3dpn技術研究的前景與微接觸印刷、納米印刻印刷等近年來發展起的印刷技術相比，dpn技術具有其高分辨率、定位準確和直接書寫等優點。但同時它也有圖案的穩定性較弱和書寫速度較慢的缺點。為提高其書寫速度，可以用多針尖系統來代替單個針尖，使用afm針尖的陣列在基底上書寫，這種平行dpn技術將是最近和今后的一個發展熱點。與此同時，關于dpn技術理論的研究仍然存在一些問題還未解決。afm針尖的光滑度和形狀對水的半月板有何影響“墨水”分子是怎么在基底表面上自組裝成分子單層的。通過這種方式組裝成的與其它方法制備的分子單層物理化學性質有何不同。通過對這一系列問題的研究，我們對dpn技術將有一個更為深入的了解。


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