Муаровая нанолитография: нанопроизводство достигает нового уровня

Пример узора, имеющего 12-кратную вращательную симметрию.

Группа исследователей из США предложили новую технику нанопроизводства, получившую название муаровой нанолитографии. Техника позволяет создавать наноразмерные образцы с соблюдением высокой степени вращательной симметрии на больших участках площади. Работу можно назвать серьезным прорывом, поскольку до сих пор только периодические (повторяющиеся) структуры могли сформировать узор на такой большой поверхности при помощи методик фотолитографии.

При этом предложенная методика позволяет создавать структуры со степенью симметрии до 36, что никогда не наблюдалось в природе.

Однако подобные высокие степени симметрии необходимы для широкого диапазона практических применений, начиная с заполнения запрещенных зон в фотонных кристаллах и заканчивая широкополосной передачей света через перфорированные металлические пленки.

До 1980-х годов многие ученые считали, что дальний порядок невозможен в физических системах без периодичности. Они считали, что атомы упакованы внутри кристаллов в симметричные узоры, которые повторяются в пространстве снова и снова, т.е. само по себе это повторение было необходимо для получения кристалла.

Однако в 1984 году группа ученых из Technion-Israel institute of Technology (Израиль) обнаружила квазикристаллы – материалы, в которых присутствует дальний порядок без периодичности. Свое открытие они сделали во время изучения образцов сплава алюминия с марганцем. Ученые обнаружили, что атомы в этом сплаве были упакованы в икосаэдрическую картину, которая просто не может быть повторена в пространстве. Однако эта картина имела 10-кратную вращательную симметрию.

Согласно положениям математики, система имеет n-кратную вращательную симметрию, если она не изменяет свой вид после поворота на 360/n градусов вокруг некоторой точки. Следовательно, образец, имеющий 10-кратную симметрию, переходит сам в себя при повороте на 36 градусов.

Перед открытием израильских ученых считалось, что реальный физический кристалл может иметь 1-, 2-, 3-, 4– или 6-кратную вращательную симметрию, а остальные варианты запрещены законами кристаллографии.

Начиная с 1984 года, ученые обнаружили уже сотни различных квазикристаллов, в том числе икосаэдрические структуры, а также формы, имеющие 2-, 3– и 5-кратную симметрию вращения. Встречаются также структуры с 8–кратной, 10-кратной и даже 12-кратной симметрией, которые демонстрируют «запрещенные» варианты вращательной симметрии в двумерной плоскости, но при этом периодичны по направлению, перпендикулярному этой плоскости.

Теперь же группа ученых из Northwestern University (США) утверждает, что предложенная ими методика муаровой литографии позволяет создавать квазикристаллы с ошеломляющей 36-кратной симметрией вращения.

Эффект муара известен уже довольно давно. Его можно обнаружить в реальной жизни при наложении двух периодических рисунков. При их повороте друг относительно друга картина будет непрерывно меняться – так можно создать новые, более сложные узоры. Муаровая нанолитография работает по сходному принципу: она опирается на интерференцию двух узоров, перекрывающихся под определенным углом. При этом использующиеся в основе двумерные периодические шаблоны могут иметь большую площадь, изготавливаясь методом фотолитографии.

В реализованном эксперименте ученые смогли продемонстрировать на практике невиданную ранее 36-кратную вращательную симметрию. Одна из областей, где могут очень пригодиться подобные нанокристаллы – создание солнечных батарей, ведь благодаря своему всенаправленному дизайну подобные структуры могут эффективно задерживать фотоны, поступающие под любыми углами.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.

Источник