Νανοεργοστάσιο Πλάσματος: Μια νέα τεχνολογία ελεγχόμενης νανοδόμησης των υλικών

«Νανοεργοστάσιο Πλάσματος» είναι ο τίτλος ερευνητικού προγράμματος που εκπονήθηκε στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας στο Ερευνητικό Κέντρο «Δημόκριτος» , και χρηματοδοτήθηκε από το ΕΣΠΑ μέσω της δράσης ΑΡΙΣΤΕΙΑ Ι της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας με κωδικό έργου 695 και διάρκεια 3 έτη (2012-2015).

Πρόκειται για ένα φιλόδοξο έργο, που εντάσσεται στην ευρύτερη περιοχή της νανοτεχνολογίας, με χρήση ηλεκτρικών εκκενώσεων ψυχρού πλάσματος. Το ψυχρό πλάσμα είναι ένα ρευστό που περιέχει μακροσκοπικά ίσες πυκνότητες θετικών κι αρνητικών φορτίων, διεγερμένα σωμάτια, φωτόνια ευρέως φάσματος ενέργειας, δραστικές χημικές ρίζες λόγω αποσύνθεσης μορίων και απλά άτομα και μόρια του αερίου που χρησιμοποιείται. Μια εικόνα του, που βλέπουμε συχνά, είναι η φωτεινή εκκένωση στους λαμπτήρες φθορισμού και νέον των φωτεινών διαφημίσεων.

Ενώ το αέριο του πλάσματος είναι ψυχρό, τα λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του έχουν θερμοκρασία εκατοντάδων χιλιάδων βαθμών Κέλβιν και είναι σε θέση να διασπάσουν το αέριο και να δημιουργήσουν δραστικές χημικές ρίζες. Έτσι, αν αντί για αδρανές Νέον ή Αργό χρησιμοποιηθεί Οξυγόνο ή Φθοριούχο αέριο, οι ρίζες και τα ιόντα οξυγόνου ή φθορίου μπορούν να αντιδράσουν με πολυμερικά-οργανικά υλικά, καθώς και με πυρίτιο-ανόργανα υλικά διαβρώνοντας (αφαιρώντας υλικό-εγχαράσσοντας) τοπικά τα υλικά αυτά από την αέρια φάση αντί για την συνήθη υγρή εγχάραξη που χρησιμοποιείται σήμερα.

Η εγχάραξη με πλάσμα είναι διεργασία κατασκευής νανοδομών (μηδενικής, μιας ή δυο διαστάσεων) με εφαρμογές σε ένα ευρύ πεδίο, που εκτείνεται από την νανοηλεκτρονική μέχρι τις επιστήμες υγείας. Της εγχάραξης προηγείται η δαπανηρή διεργασία της μικρο- ή νανολιθογραφίας με την οποία ορίζεται ένα μικρο- ή νανο-σχήμα σε ένα πολυμερικό υμένιο, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρεται στο υπόστρωμα με την διεργασία εγχάραξης με πλάσμα, που αφαιρεί υλικό υποστρώματος από περιοχές που δεν προστατεύονται από το πολυμερικό υμένιο.

Προσφάτως, γίνονται προσπάθειες ορισμού του νανοσχήματος με διεργασίες αυτοργάνωσης αντί της λιθογραφίας, για την μείωση του κόστους. Και σε αυτή την περίπτωση το νανοσχήμα μεταφέρεται στο υπόστρωμα με την εγχάραξη. Το έργο, το Νανοεργοστάσιο πλάσματος, αλλά και ο σύγχρονος κλάδος της νανοτεχνολογίας με πλάσμα, θέτουν το επιστημονικό ερώτημα: Κατά πόσον το ίδιο το πλάσμα μπορεί να κατευθύνει την αυτοργάνωση ενός νανοσχήματος και την μεταφορά του σε ένα υπόστρωμα χωρίς την χρήση της δαπανηρής νανολιθογραφίας;

Συνεπώς, το νανοεργοστάσιο πλάσματος προτείνει μια νέα οικονομικότερη τεχνολογία για την κατασκευή νανοδομών, που ονομάζεται «αφαιρετική και κατευθυνόμενη από το πλάσμα νανοοργάνωση», η οποία εμπεριέχει ταυτόχρονη εγχάραξη και εναπόθεση, από το πλάσμα, παρεμποδιστών της εγχάραξης. Στόχος του Νανοεργοστασίου πλάσματος είναι η ελεγχόμενη κατασκευή τυχαίων και αυτό-οργανωμένων μικρο- και νανοδομών με διεργασίες πλάσματος και εφαρμογές αυτών στις επιστήμες υγείας και στην ενέργεια.

Για να επιτευχθεί η ελεγχόμενη κατασκευή των νανοδομών χρειάστηκε να κατανοηθεί το φαινόμενο της επαγόμενης από το πλάσμα νανοοργάνωσης και να κατασκευαστούν νέες πηγές πλάσματος τόσο σε χαμηλή πίεση όσο και σε ατμοσφαιρική.

Οι ερευνητές απέδειξαν, για πρώτη φορά, ότι είναι εφικτός ο σχηματισμός τυχαίας νανοδόμησης με ελεγχόμενες διαστάσεις και κατασκεύασαν πρωτότυπο μηχανήματος που θα μπορεί να εκτελέσει την συγκεκριμένη διεργασία. Η εργασία της ερευνητικής ομάδας του Δημόκριτου έδειξε ότι ο κυρίαρχος μηχανισμός σχηματισμού νανοδομών είναι η εγχάραξη του υλικού από το πλάσμα με ταυτόχρονη εναπόθεση παρεμποδιστών εγχάραξης που προέρχονται από την ιονοβολή των επιφανειών από τα ιόντα του πλάσματος.

Αποδείχθηκε ότι είναι δυνατός ο έλεγχος της ροής των παρεμποδιστών με κατάλληλη θωράκιση των ηλεκτρικών πεδίων.

Οι καινοτομίες του έργου

Συγκεκριμένα, στο πλαίσιο του έργου, οι ερευνητές του Δημόκριτου κατασκεύασαν δύο νέες πηγές πλάσματος:

Εικόνα 1.α: Η νέα πηγή πλάσματος σε χαμηλή πίεση
Εικόνα 1.β: Προσομοίωση των ηλεκτρικών πεδίων σε μία από τις κεραίες που ενσωματώνονται στην πηγή.

Α) Μία πηγή χαμηλής πιέσεως επαγωγικής σύζευξης. Στην πηγή αυτή ενσωματώθηκαν διαδοχικά 4 διαφορετικές κεραίες τύπου helicon και διαπιστώθηκε ότι όλες οδηγούν σε νανοοργάνωση, αν και διαφορετικής μορφολογίας. Στην Εικόνα 1.α φαίνεται η πηγή πλάσματος και μία κεραία γύρω από τον διηλεκτρικό κύλινδρο, ενώ στην Εικόνα 1.β φαίνεται η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου στο εσωτερικό του κυλίνδρου στον οποίο περιορίζεται το πλάσμα, όπως προκύπτει από ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση, που έγινε για τον σχεδιασμό και την κατανόηση λειτουργίας των κεραιών στα 13,56 MHz.

Εικόνα 1.γ: Η νέα πηγή πλάσματος σε ατμοσφαιρική πίεση

Β) Κατασκευάστηκε και μία καινοτόμα πηγή πλάσματος σε ατμοσφαιρική πίεση, για την οποία υποβλήθηκε, από τους ερευνητές, αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στον Οργανισμό Βιομηχανικής Ιδιοκτησίας (ΟΒΙ). Αυτή η χαμηλού κόστους πηγή φαίνεται στην Εικόνα 1.γ η οποία είναι κατάλληλη για κατεργασία μεγάλων δειγμάτων με εξαιρετικά ταχείς ρυθμούς. Και αυτή η πηγή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα 13,56 MHz, αλλά και σε μερικές δεκάδες kHz, και ο σχεδιασμός της βοηθήθηκε επίσης από ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση.

Έχοντας κατασκευάσει τις πηγές πλάσματος, οι ερευνητές, προχώρησαν στην ελεγχόμενη κατασκευή τυχαίων και οργανωμένων νανοδομών. Για τον έλεγχο των διαστάσεων των δομών χρειάστηκε να γίνει ελεγχόμενη θωράκιση των ηλεκτρικών πεδίων, τόσο της κεραίας του πλάσματος όσο και των ηλεκτροδίων. Ο σχεδιασμός της θωράκισης υποβοηθήθηκε από ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση και η υλοποίηση της θωράκισης αποτελεί άλλη μια καινοτομία του έργου, για την οποία πρόκειται να υποβληθεί, επίσης, αίτηση στον ΟΒΙ. Οι νανοδομές που κατασκευάστηκαν αναλύθηκαν με το καινοτόμο νανο-μετρολογικό πρωτόκολλο, το οποίο αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του έργου, που χρησιμοποιεί θεωρία κλιμάκωσης και μορφοκλασμάτων, καθώς και ολιστική μετρολογική προσέγγιση.

Εικόνα 2.α: Εγχάραξη και τραχύτητα που σχηματίζεται αν δεν θωρακιστούν τα πεδία
Εικόνα 2.β: Εγχάραξη με γειωμένο τον δακτύλιο συγκράτησης όπου φαίνεται ο μηδενισμός της τραχύτητας

Η Εικόνα 2.α δείχνει τυχαίες νανοδομές που σχηματίστηκαν κατά την εγχάραξη ενός πολυμερικού καναλιού, χωρίς να έχουν θωρακιστεί τα ηλεκτροστατικά πεδία στο πλάσμα, ενώ η Εικόνα 2.β δείχνει ένα παρόμοιο κανάλι με σχεδόν μηδενική τραχύτητα λόγω πλήρους θωράκισης. Με ενδιάμεση θωράκιση οι ερευνητές πέτυχαν ενδιάμεσες τιμές τραχύτητας.

Εικόνα 2.γ: Σχηματισμός ελεγχόμενων αυτοργανωμένων νανοδομών
Εικόνα 2.δ: Σχηματισμός νανοκιόνων πυριτίου

Ακόμη, με ενδιάμεση θωράκιση επετεύχθηκε η κατασκευή αυτοργανωμένων δομών με έλεγχο της περιοδικότητας και των γεωμετρικών τους χαρακτηριστικών. Στην Εικόνα 2.γ φαίνονται τέτοιες αυτοργανωμένες νανοδομές (διαστάσεις d=28nm, h=42nm, p=54nm) σε πολυμερικό φιλμ, καθώς και η χρήση τους ως μάσκας για κατασκευή νανονημάτων πυριτίου (διαστάσεις d=25nm, h=140nm, p=62nm).

Εικόνα 2.ε: Ανάλύση των διαστάσεων των νανοδομών με το πρωτόκολλο νανομετρολογίας που αναπτύχθηκε

Στην Εικόνα 2.ε γίνεται ανάλυση των διαστάσεων των νανοδομών με το πρωτόκολλο νανομετρολογίας που αναπτύχθηκε, όπου φαίνεται ο έλεγχος των διαστάσεων σε ένα εύρος 40-100nm.

Για πρώτη φορά επιτυγχάνεται ο πλήρης έλεγχος της νανοτραχύτητας και της γεωμετρίας των νανοδομών με το πλάσμα, που αποτελούσε και τον βασικό στόχο του έργου. Οι ανακαλύψεις αυτές, οι πηγές πλάσματος και το λογισμικό νανομετρολογίας που αναπτύχθηκε εκτός από επιστημονική αριστεία είναι πολλά υποσχόμενα και για εμπορική εκμετάλλευση.

Την ερευνητική ομάδα του έργου αποτελούν οι επιστήμονες: Δρ. Ευάγγελος Γογγολίδης, Δρ. Αγγελική Τσερέπη, Δρ. Βασίλειος Κωνσταντούδης, Δρ. Γεώργιος Στρατάκος, Δρ. Παναγιώτης Δημητρακέλλης, Αθανάσιος Σμυρνάκης, Αγγελος Ζένιου.

Πηγή: Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας, ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος