基于AFM动态犁式光刻的聚合物薄膜高通量纳米坑制备

摘要

本文证明，利用原子力显微镜（AFM）探针进行动态犁式光刻（DPL），可在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜上以前所未有的速度生成密集的纳米级坑阵列。通过在敲击模式下以高侧向速度划过表面，探针以受控的间歇方式穿透聚合物并移除材料。临界划刻速度100 µm/s将坑的形成与纳米沟槽的产生区分开来。当速度超过该阈值时，每秒可生成4,800–5,800个坑，每个坑需要65–80次探针穿透以克服玻璃态聚合物的阻力。通过对弹性、塑性和堆积阶段的详细分析，解释了观察到的坑形貌和深度。实验结果结合应力松弛模量的理论建模，证实了DPL在聚合物薄膜高通量纳米制造中的可行性。

背景

纳米技术的快速发展推动了对纳米级结构的兴趣，应用范围涵盖纳米机电系统到量子点制造。虽然常规光刻技术（聚焦离子束、电子束、纳米压印）提供精确控制，但受限于高成本、严苛环境条件和低通量。相比之下，基于AFM探针的纳米光刻虽具灵活性和高分辨率，但传统上生产效率低下。

动态犁式光刻（DPL）利用敲击模式AFM固有的间歇性接触，减少探针磨损并提高材料移除率。通过驱动悬臂在其共振频率附近工作，探针反复穿透样品表面，实现快速纳米级图案化。先前研究已证实DPL适用于薄膜材料，但其在大面积、高密度坑阵列制备方面的全部潜力尚未被探索。

本研究提出一种快速扫描纳米光刻（FSN）方法，在商用AFM平台上利用DPL在PMMA薄膜上实现高通量坑制备，同时保持探针完整性。

方法

将PMMA（Mw = 120,000）溶于氯苯配制成1.25 wt%溶液，以6,000 rpm旋涂于洁净Si晶片上，获得约30 nm厚度的薄膜。样品在125 °C烘烤30 min以去除残留溶剂。

所有实验采用Bruker Dimension Icon AFM及硅悬臂（弹簧常数42 N/m，f₀ ≈ 320 kHz）。探针镀金刚石样碳（DLC）以延长寿命。成像在敲击模式下进行（扫描速率1 Hz，256行）。DPL过程中，驱动振幅提升至V_w（写入）以增强探针-样品相互作用，随后恢复至V_r（读取）进行成像。

Nanoman模块协调探针轨迹，精确控制划刻速度和方向。所有实验在室温下进行。

结果与讨论

测试了0.1至1,000 µm/s范围内的划刻速度。高速（≈200 µm/s）形成孤立坑；中速（≈100 µm/s）坑重叠；低速（≈50 µm/s）出现纳米沟槽（图1b-d）。坑间距由划刻速度决定，因探针-表面相互作用每个振荡周期重复一次（v/f）。

考察了四个划刻方向（图2a）：V₁/V₃沿悬臂长轴，V₂/V₄垂直。AFM图像（图3）显示：200 µm/s时各方向均出现连续坑；100 µm/s时仅偶见深坑；50 µm/s时形成具有平坦底部和侧向堆积的清晰沟槽。

深度测量（图4）随速度增加单调减小。5 µm/s以下深度与方向无关（~2 nm），但V₃因探针不对称显示较大变异。连续探针穿透的理论间距（D = v/f）为0.52–2.33 nm，对应200–900 µm/s速度下每秒4,800–5,800个坑（图5）。

坑形成机制包含三阶段：(a) 弹性变形，探针滑动且材料移除极少；(b) 约40次穿透后发生塑性变形，断裂PMMA链；(c) 堆积攀爬，积累物随探针滑动被扫除。法向与切向力的相互作用（公式5-8）主导阶段转换。

采用V₁/V₃方向及垂直进给，在5 µm×5 µm区域制备坑阵列。400 µm/s时坑均匀分布，深度~2.5 nm（图7）；200 µm/s时间距缩至~70 nm，形状趋圆（图8a）；900 µm/s时间距扩至~100 nm，形貌随方向分化（图8b）。快速傅里叶变换（FFT）分析证实坑密度与划刻速度呈反比关系。

结论

敲击模式下的动态犁式光刻为聚合物薄膜密集纳米坑阵列提供了可扩展路径。临界划刻速度100 µm/s区分坑形成与沟槽产生。5 µm/s以上坑深基本与方向无关，V₃因探针不对称深度较浅。保持200–900 µm/s速度可达每秒5,800个坑。该过程依赖反复的弹性、塑性和堆积阶段，每坑需65–80次探针穿透。所得阵列尺寸5 µm，间距70 nm，深度2.5 nm，证明了该方法在高通量纳米制造中的适用性。