Las técnicas existentes de nano-fabricación como la litografía de haz de electrones tienen dificultades para crear características mucho más por debajo de los 30 nanómetros, además de ser instrumentos caros y complejos. Por el contrario, los investigadores de IBM afirman que su nueva herramienta de fabricación se ubica en una mesa y supone entre una quinta y una décima parte del coste habitual.
El nuevo instrumento es un descendiente del microscopio de efecto túnel (STM) inventado por científicos de IBM Zurich a principios de los años 80. Ese microscopio hizo posible que, por primera vez, se pudieran tomar imágenes de átomos y pudieran manipularse. El nuevo instrumento utiliza una punta de silicio extremadamente pequeña, que es rápidamente escaneada a través de la superficie del sustrato. La punta está en voladizo, como las utilizadas en la microscopía de fuerza atómica (o AFM: una rama del STM inventada en 1986), lo que le permite aplicar nanonewtons de fuerza a la superficie. No obstante, a diferencia de la AFM, la punta se calienta
En el punto en el que toca el sustrato, la energía térmica en la punta es suficiente como para romper los enlaces débiles dentro del material. "Nos proporciona suficiente energía térmica para que estas moléculas se vuelvan móviles, se arrastren por la punta caliente y se evaporen", afirma Urs Duerig, científico del Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, Suiza. Junto con su colega Armin Knoll y otros, Duerig desarrolló la nueva técnica. Lo destacable de todo esto, afirma, es que elimina exactamente la misma cantidad de material cada vez
La ventaja del nuevo instrumento, en comparación con técnicas como la litografía de haz de electrones, que consiste en la eliminación de material mediante el bombardeo con partículas, es que el efecto es más localizado. Aunque la litografía de haz de electrones puede crear características de hasta 15 nanómetros, con resoluciones por debajo de los 30 nanómetros, los electrones perdidos tienden a causar interacciones con partes del material cercanas a la zona que se tenga como objetivo.
Una de las ventajas de la nueva técnica es que puede perforar el sustrato a diferentes profundidades, y a resoluciones muy altas. Esto fue demostrado mediante el grabado en un sustrato de cristal molecular de una representación topográfica de 25 nanómetros de alto de la montaña suiza Matterho , con una escala de 1:5 mil millones. La imagen 3-D se realizó mediante la extracción selectiva de material en 120 capas diferentes.
La posibilidad de crear estructuras 3-D es intrigante, señala Zahid Durrani desde el Imperial College de Londres. "Es completamente novedosa", afirma. "Nunca he visto nada como esto antes". Sin embargo, como ocure con las tecnologías de sonda, la ampliación del proceso a un gran número de puntas que funcionen en paralelo probablemente sea todo un reto, afirma Durrani.
Karl Berggren, co-director del Laboratorio de Nanoestructuras del MIT, afirma que el instrumento de IBM es una solución muy "inteligente y elegante". "Han hecho algo muy creativo", asegura. Los investigadores han tenido que lidiar durante mucho tiempo con métodos térmicos de litografía de sonda, aunque siempre ha sido lenta y las resoluciones han resultado mediocres, afirma Berggren. "IBM ha cambiado todo eso", señala. "Así que el hecho de poner litografías a escalas por debajo de 20 nanómetros a disposición de los laboratorios que las necesiten y a un coste razonable, podría ser el legado a largo plazo de este trabajo. Y eso el algo muy importante ".
Por el contrario, la litografía de haz de electrones requiere varios pasos y tiende a ser muy cara, con sistema de hasta 5 millones de dólares, afirma Berggren. El instrumento de IBM es suficientemente pequeño como para caber en un escritorio y debería costar unos 100.000 dólares.
También es relativamente rápido, añade Duerig. Debido a que la punta puede escribir cada "pixel" en microsegundos, pueden ser escaneados a través del substrato muy rápidamente. El mapa del mundo, por ejemplo, que consta de 500.000 píxeles, sólo toma dos minutos en ser dibujado.
Un paso crucial en el desarrollo de esta técnica consistió en el hecho de encontrar sustratos orgánicos apropiados. Con esto en mente, los colegas del centro de Investigación de Almaden de IBM, en Califo ia, fueron trasladados para ayudar a encontrar sustratos sólidos y orgánicos que pudieran utilizarse a modo de "resists", una especie de máscaras utilizadas en la fabricación de chips.
El reto consistía en encontrar materiales que fueran lo suficientemente resistentes para ser utilizados como sustratos, pero que pudieran ser fácilmente descompuestos térmicamente, evaporándose en trozos no reactivos al entrar en contacto con la punta caliente. En el caso del mapa del mundo, un polímero llamado 'polyphthalaldehyde' fue considerado adecuado, y para el Materho , los científicos de IBM utilizaron una forma de cristal molecular.