Самосборка трехмерных мезоструктур с использованием локальной ионно-плазменной обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Приведена технология самосборки трехмерных мезоструктур кубической формы, основанная на ионно-плазменном воздействии на определенные локальные области плоских заготовок, сформированных из пленок Cr и Cr/SiO2. Движущей силой самосборки является градиент напряжений, возникающий в хроме при ионной бомбардировке в плазме Ar ВЧ-индукционного разряда. Складывание заготовки в трехмерную структуру происходит при вывешивании элементов заготовки в результате стравливания нижележащего кремния.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Бабушкин

НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: artem.yf-ftian@mail.ru

ЦНИТ – Ярославль, ОФТИ им. К.А. Валиева

Россия, Ярославль

Р. В. Селюков

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: artem.yf-ftian@mail.ru

ЦНИТ – Ярославль, ОФТИ им. К.А. Валиева

Россия, Ярославль

И. И. Амиров

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: artem.yf-ftian@mail.ru

ЦНИТ – Ярославль, ОФТИ им. К.А. Валиева

Россия, Ярославль

В. В. Наумов

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: artem.yf-ftian@mail.ru

ЦНИТ – Ярославль, ОФТИ им. К.А. Валиева

Россия, Ярославль

М. О. Изюмов

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: artem.yf-ftian@mail.ru

ЦНИТ – Ярославль, ОФТИ им. К.А. Валиева

Россия, Ярославль

Список литературы

  1. Zhang Y., Zhang F., Yan Z., Ma Q., Li X., Huang Y., Rogers J.A. Printing, folding and assembly methods for forming 3D mesostructures in advanced materials // Nature Reviews Materials. 2017. V. 2. № 4. P. 1–17.
  2. Karnaushenko D., Kang T., Bandari V.K., Zhu F., Schmidt O.G. 3D self‐assembled microelectronic devices: concepts, materials, applications // Advanced Materials. 2020. V. 32. № 15. P. 1902994.
  3. Liu N. Guo H., Fu L., Kaiser S., Schweizer H., Giessen H. Three-dimensional photonic metamaterials at optical frequencies // Nature materials. 2008. V. 7. № 1. P. 31–37.
  4. Bo R., Xu S., Yang Y., Zhang Y. Mechanically-guided 3D assembly for architected flexible electronics // Chemical Reviews. 2023. V. 123. № 18. P. 11137–11189.
  5. Guo X., Xue Z., Zhang Y. Manufacturing of 3D multifunctional microelectronic devices: challenges and opportunities // NPG Asia Materials. 2019. V. 11. № 1. P. 29.
  6. Chen S., Chen J., Zhang X., Li Z.Y., Li J. Kirigami/origami: unfolding the new regime of advanced 3D microfabrication/nanofabrication with “folding” // Light: Science & Applications. 2020. V. 9. № 1. P. 75.
  7. Rogers J., Huang Y., Schmidt O.G., Gracias D.H. Origami mems and nems // Mrs Bulletin. 2016. V. 41. № . 2. P. 123–129.
  8. Zhang Z., Tian Z., Mei Y., Di Z. Shaping and structuring 2D materials via kirigami and origami // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2021. V. 145. P. 100621.
  9. Cho J.H., Keung M.D., Verellen N., Lagae L., Moshchalkov V.V., Van Dorpe P., Gracias D.H. Nanoscale origami for 3D optics // Small. 2011. V. 7. № 14. P. 1943–1948.
  10. Mak Y.X., Dijkshoorn A., Abayazid M. Design Methodology for a 3D Printable Multi‐Degree of Freedom Soft Actuator Using Geometric Origami Patterns // Advanced Intelligent Systems. 2024. V. 6. № 6. P. 2300666.
  11. Salerno M., Firouzeh A., Paik J. A low profile electromagnetic actuator design and model for an origami parallel platform // Journal of Mechanisms and Robotics. 2017. V. 9. № . 4. P. 041005.
  12. Novelino L.S., Ze Q., Wu S., Paulino G.H., Zhao R. Untethered control of functional origami microrobots with distributed actuation // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. V. 117. № 39. P. 24096–24101.
  13. Yan W., Li S., Deguchi M., Zheng Z., Rus D., Mehta A. Origami-based integration of robots that sense, decide, and respond // Nature Communications. 2023. Т. 14. № 1. С. 1553.
  14. Xu W., Li T., Qin Z., Huang Q., Gao H., Kang K., Park J., Buehler M.J., Khurgin J.B., Gracias D.H. Reversible MoS2 origami with spatially resolved and reconfigurable photosensitivity // Nano letters. 2019. V. 19. № 11. P. 7941–7949.
  15. Guo X., Li H., Yeop Ahn B., Duoss E.B., Hsia K.J., Lewis J.A., Nuzzo R.G. Two-and three-dimensional folding of thin film single-crystalline silicon for photovoltaic power applications // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2009. V. 106. № 48. P. 20149–20154.
  16. Randhawa J.S., Gurbani S.S., Keung M.D., Demers D.P., Leahy-Hoppa M.R., Gracias D.H. Three-dimensional surface current loops in terahertz responsive microarrays // Applied Physics Letters. 2010. V. 96. № 19.
  17. Yu Y., Lorenz P., Strobel C., Zajadacz J., Albert M., Zimmer K., Kirchner R. Plasmonic 3D Self-Folding Architectures via Vacuum Microforming // Small. 2022. V. 18. № . 7. P. 2105843.
  18. Joung D., Nemilentsau A., Agarwal K., Dai C., Liu C., Su Q., Li J., Low T., Koester S.J., Cho J.H. Self-assembled three-dimensional graphene-based polyhedrons inducing volumetric light confinement // Nano letters. 2017. V. 17. № 3. P. 1987–1994.
  19. Anacleto P., Gultepe E., Gomes S., Mendes P.M., Gracias D.H. Self-folding microcube antennas for wireless power transfer in dispersive media. Technology // 2016. V. 04. № 02. P. 120–129.
  20. McCaskill J.S., Karnaushenko D., Zhu M., Schmidt O.G. Microelectronic Morphogenesis: Smart Materials with Electronics Assembling into Artificial Organisms // Advanced Materials. 2023. V. 35. № 51. P. 2306344.
  21. Bolanos Quinones V.A., Zhu H., Solovev A.A., Mei Y., Gracias D.H. Origami biosystems: 3D assembly methods for biomedical applications // Advanced Biosystems. 2018. V. 2. № 12. P. 1800230.
  22. Azam A., Laflin K.E., Jamal M., Fernandes R., Gracias D.H. Self-folding micropatterned polymeric containers // Biomedical microdevices. 2011. V. 13. P. 51–58.
  23. Fernandes R., Gracias D.H. Self-folding polymeric containers for encapsulation and delivery of drugs // Advanced drug delivery reviews. 2012. V. 64. № 14. P. 1579–1589.
  24. Cools J., Jin Q., Yoon E., Alba Burbano D., Luo Z., Cuypers D., Callewaert G., Braeken D. A micropatterned multielectrode shell for 3D spatiotemporal recording from live cells // Advanced Science. 2018. V. 5. № 4. P. 1700731.
  25. Leong T.G., Benson B.R., Call E.K., Gracias D.H. Thin film stress driven self‐folding of microstructured containers // Small. 2008. V. 4. № . 10. P. 1605–1609.
  26. Zhang J., Reif J., Strobel C., Chava P., Erbe A., Voigt A., Mikolajick T., Kirchner R. Dry release of MEMS origami using thin Al2O3 films for facet-based device integration // Micro and Nano Engineering. 2023. V. 19. P. 100179.
  27. Bassik N., Stern G. M., Gracias D. H. Microassembly based on hands free origami with bidirectional curvature // Applied physics letters. 2009. V. 95. № 9.
  28. Liu Z., Du H., Li Z.Y., Fang N.X., Li J. Invited Article: Nano-kirigami metasurfaces by focused-ion-beam induced close-loop transformation // Apl. Photonics. 2018. V. 3. № 10.
  29. Mao Y., Zheng Y., Li C., Guo L., Pan Y., Zhu R., Xu J., Zhang W., Wu W. Programmable bidirectional folding of metallic thin films for 3D chiral optical antennas // Advanced materials. 2017. V. 29. № 19. P. 1606482.
  30. Бабушкин А.С., Уваров И.В., Амиров И.И. Влияние низкоэнергетической ионно-плазменной обработки на остаточные напряжения в тонких пленках хрома // Журнал технической физики. 2018. Т. 88. № 12. С. 1845.
  31. Babushkin A., Selyukov R., Amirov I. Effect of Ar ion-plasma treatment on residual stress in thin Cr films // Proc. of SPIE. 2019. V. 11022. P. 1102223–1.
  32. Fang W. Determining mean and gradient residual stresses in thin films using micromachined cantilevers / Fang W., Wickert J. A. //Journal of Micromechanics and Microengineering. 1996. V. 6. № 3. P. 301.
  33. Selyukov R.V., Amirov I.I., Naumov V.V. Effect of Ion-Plasma Treatment on the Phase Composition and Electrical Resistivity of Nanometer-Thick Tungsten Films // Russ. Microelectron. 2022. V. 51. P. 488–496.
  34. Пат. 2630528 Российская Федерация, МПК B81 B3/00, C23 C14/35. Способ изготовления балки с заданным изгибом / Уваров И. В., Наумов В. В., Амиров И. И.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико- технологический институт Российской академии наук (ФТИАН РАН). № 2016111251; заявл. 25.03.2016; опубл. 11.09.2017, Бюл. № 26. – 5с.: ил.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Результат моделирования самосборки кубического контейнера из Cr (а), вид заготовки контейнера сверху (б). Стрелками показаны балочные конструкции

Скачать (35KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое изображение изготавливаемых кантилеверов: без подслоя SiO2 (а), с подслоем SiO2 и со смещением оксида на 20 мкм (б)

Скачать (16KB)
Метаданные
4. Рис. 3. РЭМ-изображение кантилеверов Cr с соотношениями толщин нижнего и верхнего слоев Cr соответственно 58 : 242 нм (a) и 53 : 247 нм (б)

Скачать (9KB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-изображение кантилеверов Cr/SiO2 с соотношениями толщин нижнего и верхнего слоев Cr соответственно 58 : 242 нм (a) и 53 : 247 нм (б). РЭМ-изображение кантилеверов Cr/SiO2, вид сверху (в)

Скачать (18KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Маршрут изготовления контейнеров полностью из Cr. (а) Окисление пластины Si. (б) Литография по SiO2. (в) Осаждение пленки Cr 300 нм и формирование планарных заготовок из нее. (г) Формирование маски из a-Si 600 нм. (д) Ионно-плазменная обработка пленки Cr. (е) Плазмохимическое травление маски a-Si и с-Si. Цифрами обозначены элементы контейнера: 1 – крепление; 2 – грань; 3 – балка

Скачать (27KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Маршрут изготовления контейнеров с гранями из Cr/SiO2. (а) Окисление пластины Si. (б) Литография по SiO2. (в) Осаждение пленки Cr 300 нм и формирование планарных заготовок из нее. (г) Формирование маски из a-Si 600 нм. (д) Ионно-плазменная обработка пленки Cr. (е) Плазмохимическое травление маски a-Si и Si

Скачать (28KB)
Метаданные
8. Рис. 7. РЭМ-изображения полученных 3D-структур на основе Cr/SiO2 (слева) и Cr (справа), не подвергнутых ИПО (а); подвергнутых ИПО в режиме –30 В/60 мин (б) и в режиме –35 В/60 мин (в)

Скачать (35KB)
Метаданные
9. Рис. 8. РЭМ-изображения контейнеров с гранями из Cr/SiO2 (а) и Cr (б)

Скачать (23KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025