采用2對(duì)DPN技術(shù)機(jī)理的新進(jìn)展研究分子傳輸過(guò)程中實(shí)驗(yàn)條件的影響自然狀態(tài)下進(jìn)行DPN實(shí)驗(yàn)時(shí),空氣和基底上的水分會(huì)聚集在A(yíng)FM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(shí)間和針尖在基底上書(shū)寫(xiě)速度等因素的影響。對(duì)濕度的影響,一些研究者認(rèn)為某些情況下水的半月板在“墨水”分子傳輸過(guò)程中并不起作用,他們?cè)跐穸葹?.0%時(shí)在基底上得到了穩(wěn)定的圖案。但是很多情況下,由于半月板的存在,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到濕度影響。一方面,增大濕度時(shí)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(duì)其傳輸有阻礙作用。在這兩方面因素的競(jìng)爭(zhēng)下,不同分子受到的影響不同。進(jìn)一步定量地講,濕度的影響在于它通過(guò)改變半月板的高度h而影響與針尖的接觸面積。實(shí)驗(yàn)和理論均可以說(shuō)明,增大濕度時(shí),點(diǎn)的大小與半月板高度之間的關(guān)系逐漸從轉(zhuǎn)變?yōu)榕ch成線(xiàn)性關(guān)系,最終變?yōu)榕ch2有線(xiàn)性關(guān)系。
另外,針尖與基底接觸時(shí)間對(duì)形成點(diǎn)的大小有影響。當(dāng)針尖與基底相對(duì)靜止時(shí),由于“墨水”分子的自由擴(kuò)散,會(huì)在基底上形成圓形點(diǎn)的圖案。在許多實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn),形成點(diǎn)的半徑或直徑與針尖和基底接觸時(shí)間的平方根成線(xiàn)性關(guān)系。利用二維擴(kuò)散模型,可以得到點(diǎn)半徑R(t)的如下公式。在沉積速度較小和較大時(shí)分別有其中t為時(shí)間,n為單位時(shí)間內(nèi)沉積的“墨水”分子數(shù),ρ為分子單層的密度,D為擴(kuò)散系數(shù)。從上面兩式可以看出,在兩種情況下,點(diǎn)的半徑與接觸時(shí)間的平方根均成線(xiàn)性關(guān)系。
進(jìn)一步地,可以建立三維模型并利用MonteCarlo模擬對(duì)濕度和針尖浸潤(rùn)性的影響進(jìn)行研究。采用與二維模型中相同的計(jì)算方法,可以得到不同浸潤(rùn)性的針尖的力-距離曲線(xiàn)。結(jié)果顯示,在各種濕度下,對(duì)親水的針尖,針尖與基底間距h=2l時(shí)能量最低,且隨間距增大吸引力逐漸減小,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定;而對(duì)憎水的針尖,只有h=2l時(shí)作用力表現(xiàn)為吸引力,此時(shí)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(xiàn)對(duì)水的半月板的研究當(dāng)對(duì)不揮發(fā)性“墨水”分子傳輸時(shí),水的半月板是一個(gè)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(duì)水的半月板進(jìn)行研究,通過(guò)觀(guān)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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(shí)都有水的半月板形成。實(shí)驗(yàn)中還觀(guān)察到,拉脫力隨著濕度的降低而降低。
另外,對(duì)水的半月板的寬度的最小極限的研究是一個(gè)很有意義的課題,因?yàn)檫@將從理論上確定DPN技術(shù)分辨率的極限。利用MonteCarlo模擬可以計(jì)算出不同濕度和針尖與基底間距時(shí)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?jīng)Q定的結(jié)論。在最尖的針尖極限情況下,這時(shí)針尖只有一個(gè)分子與基底接觸,計(jì)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(shí)也決定了DPN技術(shù)分辨率的極限。
3DPN技術(shù)研究的前景與微接觸印刷、納米印刻印刷等近年來(lái)發(fā)展起的印刷技術(shù)相比,DPN技術(shù)具有其高分辨率、定位準(zhǔn)確和直接書(shū)寫(xiě)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)它也有圖案的穩(wěn)定性較弱和書(shū)寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)。為提高其書(shū)寫(xiě)速度,可以用多針尖系統(tǒng)來(lái)代替單個(gè)針尖,使用AFM針尖的陣列在基底上書(shū)寫(xiě),這種平行DPN技術(shù)將是最近和今后的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)。與此同時(shí),關(guān)于DPN技術(shù)理論的研究仍然存在一些問(wèn)題還未解決。AFM針尖的光滑度和形狀對(duì)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(guò)這種方式組裝成的與其它方法制備的分子單層物理化學(xué)性質(zhì)有何不同。通過(guò)對(duì)這一系列問(wèn)題的研究,我們對(duì)DPN技術(shù)將有一個(gè)更為深入的了解。