Atomic nanolithography patterning of submicron features: writing an organic self-assembled monolayer with cold bright Cs atom beams

Cs atom beams, transversely collimated and cooled, passing through material masks in the form of arrays of reactive-ion-etched hollow Si pyramidal tips and optical masks formed by intense standing light waves, write submicron features on self-assembled monolayers (SAMs). Features with widths as narrow as 43 ± 6 nm and spatial resolution limited only by the grain boundaries of the substrate have been realized in SAMs of alkanethiols. The material masks write two-dimensional arrays of submicron holes; the optical masks result in parallel lines spaced by half the optical wavelength. Both types of feature are written to the substrate by exposure of the masked SAM to the Cs flux and a subsequent wet chemical etch. For the arrays of pyramidal tips, acting as passive shadow masks, the resolution and size of the resultant feature depends on the distance of the mask array from the SAM, an effect caused by the residual divergence of the Cs atom beam. The standing wave optical mask acts as an array of microlenses focusing the atom flux onto the substrate. Atom 'pencils' writing on SAMs have the potential to create arbitrary submicron figures in massively parallel arrays. The smallest features and highest resolutions were realized with SAMs grown on smooth, sputtered gold substrates.

Writing self-assembled monolayers with Cs: Optimization of atomic nanolithography imaging using self-assembled monolayers on gold substrates

We report the results of a study into the factors controlling the quality of nanolithographic imaging. Self-assembled monolayer (SAM) coverage, subsequent postetch pattern definition, and minimum feature size all depend on the quality of the Au substrate used in material mask atomic nanolithographic experiments. We find that sputtered Au substrates yield much smoother surfaces and a higher density of {111}-oriented grains than evaporated Au surfaces. Phase imaging with an atomic force microscope shows that the quality and percentage coverage of SAM adsorption are much greater for sputtered Au surfaces. Exposure of the self-assembled monolayer to an optically cooled atomic Cs beam traversing a two-dimensional array of submicron material masks mounted a few microns above the self-assembled monolayer surface allowed determination of the minimum average Cs dose (2 Cs atoms per self-assembled monolayer molecule) to write the monolayer. Suitable wet etching, with etch rates of 2.2 nm min-1, results in optimized pattern definition. Utilizing these optimizations, material mask features as small as 230 nm in diameter with a fractional depth gradient of 0.820 nm were realized.

Study of the kinetics and mechanism of rapid self-assembly in block copolymer thin films during solvo-microwave annealing

Microwave annealing is an emerging technique for achieving ordered patterns of block copolymer films on substrates. Little is understood about the mechanisms of microphase separation during the microwave annealing process and how it promotes the microphase separation of the blocks. Here, we use controlled power microwave irradiation in the presence of tetrahydrofuran (THF) solvent, to achieve lateral microphase separation in high- lamellar-forming poly(styrene-b-lactic acid) PS-b-PLA. A highly ordered line pattern was formed within seconds on silicon, germanium and silicon on insulator (SOI) substrates. In-situ temperature measurement of the silicon substrate coupled to condition changes during "solvo-microwave" annealing allowed understanding of the processes to be attained. Our results suggest that the substrate has little effect on the ordering process and is essentially microwave transparent but rather, it is direct heating of the polar THF molecules that causes microphase separation. It is postulated that the rapid interaction of THF with microwaves and the resultant temperature increase to 55 degrees C within seconds causes an increase of the vapor pressure of the solvent from 19.8 to 70 kPa. This enriched vapor environment increases the plasticity of both PS and PLA chains and leads to the fast self-assembly kinetics. Comparing the patterns formed on silicon, germanium and silicon on insulator (SOI) and also an in situ temperature measurement of silicon in the oven confirms the significance of the solvent over the role of substrate heating during "solvo-microwave" annealing. Besides the short annealing time which has technological importance, the coherence length is on a micron scale and dewetting is not observed after annealing. The etched pattern (PLA was removed by an Ar/O-2 reactive ion etch) was transferred to the underlying silicon substrate fabricating sub-20 nm silicon nanowires over large areas demonstrating that the morphology is consistent both across and through the film.

Fabrication of sub-10 nm lamellar structures by solvent vapour annealing of block copolymers

Fabrication of nanoscale patterns through the bottom-up approach of self-assembly of phase-separated block copolymers (BCP) holds promise for nanoelectronics applications. For lithographic applications, it is useful to vary the morphology of BCPs by monitoring various parameters to make “from lab to fab” a reality. Here I report on the solvent annealing studies of lamellae forming polystyrene-blockpoly( 4-vinylpyridine) (PS-b-P4VP). The high Flory-Huggins parameter (χ = 0.34) of PS-b-P4VP makes it an ideal BCP system for self-assembly and template fabrication in comparison to other BCPs. Different molecular weights of symmetric PS-b-P4VP BCPs forming lamellae patterns were used to produce nanostructured thin films by spin-coating from mixture of toluene and tetrahydrofuran(THF). In particular, the morphology change from micellar structures to well-defined microphase separated arrangements is observed. Solvent annealing provides a better alternative to thermal treatment which often requires long annealing periods. The choice of solvent (single and dual solvent exposure) and the solvent annealing conditions have significant effects on the morphology of films and it was found that a block neutral solvent was required to realize vertically aligned PS and P4VP lamellae. Here, we have followed the formation of microdomain structures with time development at different temperatures by atomic force microscopy (AFM). The highly mobilized chains phase separate quickly due to high Flory-Huggins (χ) parameter. Ultra-small feature size (~10 nm pitch size) nanopatterns were fabricated by using low molecular weight PSb- P4VP (PS and P4VP blocks of 3.3 and 3.1 kg mol-1 respectively). However, due to the low etch contrast between the blocks, pattern transfer of the BCP mask is very challenging. To overcome the etch contrast problem, a novel and simple in-situ hard mask technology is used to fabricate the high aspect ratio silicon nanowires. The lamellar structures formed after self-assembly of phase separated PS-b-P4VP BCPs were used to fabricate iron oxide nanowires which acted as hard mask material to facilitate the pattern transfer into silicon and forming silicon nanostructures. The semiconductor and optical industries have shown significant interest in two dimensional (2D) molybdenum disulphide (MoS2) as a potential device material due to its low band gap and high mobility. However, current methods for its synthesis are not ‘fab’ friendly and require harsh environments and processes. Here, I also report a novel method to prepare MoS2 layered structures via self-assembly of a PS-b-P4VP block copolymer system. The formation of the layered MoS2 was confirmed by XPS, Raman spectroscopy and high resolution transmission electron microscopy.

Graphene-MoS2 Hybrid Technology for Large-Scale Two-Dimensional Electronics

Two-dimensional (2D) materials have generated great interest in the last few years as a new toolbox for electronics. This family of materials includes, among others, metallic graphene, semiconducting transition metal dichalcogenides (such as MoS2) and insulating Boron Nitride. These materials and their heterostructures offer excellent mechanical flexibility, optical transparency and favorable transport properties for realizing electronic, sensing and optical systems on arbitrary surfaces. In this work, we develop several etch stop layer technologies that allow the fabrication of complex 2D devices and present for the first time the large scale integration of graphene with molybdenum disulfide (MoS2) , both grown using the fully scalable CVD technique. Transistor devices and logic circuits with MoS2 channel and graphene as contacts and interconnects are constructed and show high performances. In addition, the graphene/MoS2 heterojunction contact has been systematically compared with MoS2-metal junctions experimentally and studied using density functional theory. The tunability of the graphene work function significantly improves the ohmic contact to MoS2. These high-performance large-scale devices and circuits based on 2D heterostructure pave the way for practical flexible transparent electronics in the future. The authors acknowledge financial support from the Office of Naval Research (ONR) Young Investigator Program, the ONR GATE MURI program, and the Army Research Laboratory. This research has made use of the MI.

Influence of dental materials used for sealing caries lesions on laser fluorescence measurements

The aim of this study was to determine the influence of thickness and aging on the intrinsic fluorescence of sealing materials and their ability to block fluorescence from the underlying surface as assessed using a laser fluorescence device. Cavities of 0.5 mm and 1 mm depth were drilled into acrylic boards which were placed over two surfaces with different fluorescence properties: a low-fluorescence surface, to assess the intrinsic fluorescence of the sealing materials, and a high-fluorescence surface, to assess the fluorescence-blocking ability of the sealing materials. Ten cavities of each depth were filled with different sealing materials: Adper Scotchbond Multi-Purpose, Adper Single Bond 2, FluroShield, Conseal f and UltraSeal XT Plus. Fluorescence was measured with a DIAGNOdent pen at five different time points: empty cavity, after polymerization, and 1 day, 1 week and 1 month after filling. The individual values after polymerization, as well as the area under the curve for the different periods were submitted to ANOVA and the Tukey test (p < 0.05). At 0.5 mm, Scotchbond, FluroShield and UltraSeal showed insignificant changes in intrinsic fluorescence with aging and lower fluorescence after polymerization than Single Bond and Conseal. At 1 mm, Scotchbond and FluroShield showed the lowest intrinsic fluorescence, but only Scotchbond showed no chagnes in fluorescence with aging. At both depths, Scotchbond blocked significantly less fluorescence. All sealing materials blocked more fluorescence when applied to a depth of 1 mm. At 0.5 mm, fissure sealants blocked more fluorescence than adhesives, and did not show significant changes with aging. Scotchbond had the least affect on the fluorescence from the underlying surface and would probably have the least affect on the monitoring of sealed dental caries by laser fluorescence.

Melhoria do processo de lavação das rolhas de cortiça

O presente trabalho, realizado na empresa Amorim & Irmãos, S.A. teve como principal objetivo a avaliação e otimização da lavação de rolhas de cortiça técnicas, designadas por Twin Top®, em termos do perfil de consumo de reagentes químicos e do desenvolvimento da sua brancura. Para tal foi desenvolvida uma metodologia de análise de brancura de rolhas Twin Top® que serviu de base para a determinação de uma gama de brancuras aceitável. Para além disto, efetuou-se a avaliação do processo de lavação atualmente praticado e apartir do qual se realizaram os ensaios de otimização a nível laboratorial e piloto. Foram aplicados diferentes métodos de análise tais como, UV-Vis, FTIR-ATR, RMN e brancura ISO. Tendo como base de análise os espetros de refletância difusa de espetroscopia de UV-Vis foi proposta uma metodologia de determinação da brancura de rolhas Twin Top® a 457nm, adoptando as condições da Norma ISO 3688, aplicada na indústria da pasta e papel. De seguida, aplicando o método anteriormente definido, analisaram-se 1000 rolhas Twin Top® de lavação branca. Sendo que os resultados demonstraram que para rolhas dentro de especificação a brancura ISO deve estar entre os 30 e 35%. Foram ainda analisadas rolhas de diferentes classes visuais e provenientes de várias máquinas de lavação da fábrica para determinar possíveis diferenças. Para proceder à avaliação da lavação existente analisaram-se as colas usadas na produção das rolhas, um grânulo de cortiça e a matéria seca do efluente de lavação por FTIR-ATR e RMN. Desta avaliação resultou a presença de compostos de cortiça e cola degradada no efluente de lavação. Determinou-se a concentração dos reagentes intervenientes no processo que se mostraram de acordo com as especificações indicadas pelos fornecedores. Para a otimização da lavação combinou-se o peróxido de hidrogénio e hidróxido de sódio em diferentes quantidades, concentrações e diferentes tempos de reação o que permitiu identificar a melhor alternativa à lavação convencional. Assim existem duas propostas que devem ser tidas em consideração: uma em que a lavação mantém a mesma sequência da convencional e em que se altera o local de adição dos reagentes, que deve ser o mais próxima e direta possível das rolhas, e a outra em que se reduz o tempo do processo em 29,3 min, que compreende apenas uma oxidação e em que a quantidade de reagentes aplicada corresponde à soma dos volumes de reagentes das três oxidações do processo convencional.

Protocolos para a colocação e remoção de espigões

A utilização de espigões em dentes tratados endodonticamente é um dos temas mais estudados em Medicina Dentária. As opiniões são divergentes em relação aos procedimentos clínicos e materiais a serem utilizados para a colocação e remoção de espigões. O objetivo deste trabalho foi realizar uma revisão bibliográfica de forma a organizar conceitos e princípios clínicos para melhor esclarecer os fatores que determinam a necessidade de colocação, utilização e escolha do tipo de espigão, sua cimentação e técnicas para a remoção. Foram analisadas as características e propriedades dos cimentos de fosfato de zinco, ionômero de vidro, cimentos resinosos de polimerização química, polimerização dupla, foto-polimerizável e os sistemas adesivos etch and rinse, self etch e autoadesivos, bem como as técnicas para a remoção de espigões cimentados com diferentes cimentos e sistemas adesivos para depois acessar o remanescente de guta percha para o retratamento endodôntico. Foi feita uma pesquisa bibliográfica na base de dados electrónica PubMed, Google Scholar e RCAAP com as seguintes palavras chave: “Espigões”; “Retratamento Endodôntico”; “Ionómero de Vidro”; “Fosfato de Zinco”; “Cimentos Resinosos”; “Posts”; “Endodontic Retreatment”; “Glass Ionomer”; Zinc-phosphate”; “Resin Cements"; “Push Out Test”; “Posts AND Removal”. Concluiu-se que a cimentação de espigões pré-fabricados de fibra de vidro com cimentos resinosos de dupla polimerização associados aos sistemas adesivos self etch estão gradualmente substituindo os outros tipos de espigões e demais cimentos e possibilitam restaurar o dente de forma adequada e duradoura. E o uso de ultrassons apresenta maior eficácia e segurança na remoção dos espigões.

Amphibian yolk platelet ultrastructure visualized by freeze-etching

Amphibian yolk platelets are composed of lipoprotein subunits arranged in an ordered crystalline structure. Freeze-etch electron microscopy of isolated Xenopus platelets provides a direct view of the structure of the crystal and aids the interpretation of fracture phenomena in lipoprotein systems. A study has been made both of fracture faces and of faces produced by fracturing and etching following partial dissolution of platelets in electrolyte solutions. In freeze-etch replicas, main body crystals appear to be composed of dimers. Rectangular and semihexagonal patterns are seen in fracture faces. Rectangular patterns are seen also in faces produced by partial dissolution and revealed by fracturing and etching. Dissolution faces with possible semihexagonal patterns are distinct but infrequent. Based on this evidence, a new closest-packing model of platelet structure is proposed using lipovitellin dimers as building blocks, with one molecule of the second major protein component, phosvitin, associated with each monomer of the lipovitellin dimer. © 1972 Academic Press, Inc.

Design of experiments to optimized the determination of TDIs in agglomerated cork stoppers

Isocyanates are included into a class with an extreme commercial importance because their use in the manufacture of polyurethanes. Polyurethanes are used in several applications such as adhesives, coatings, foams, thermoplastics resins, printing inks, foundry moulds and rubbers. Agglomerated cork stoppers are currently used for still wines, semi-sparkle and gaseous wines, beer and cider. Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is presently the isocyanate used in the production of polyurethane based adhesive in use due to its lowest toxicity comparing with toluene diisocyanate (TDI) previously employed. However, free monomeric TDI or MDI, depending on the based polyurethane, can migrate from agglomerated cork stoppers to beverages therefore it needs to be under control. The presence of these compounds are usually investigated by HPLC with Fluorescence or UV-Vis detector depending on the derivatising agent. Ultra Performance Liquid Chromatography with Diode Array Detector (UPLC-DAD) method is replacing HPLC. The objective of this study is to determine which method is better to analyze isocyanates from agglomerated cork stoppers, essentially TDI to quantify its monomer. A Design of Experiments (DOE) with three factors, column temperature, flow and solvent, at two levels was done. Eight experiments with three replications and two repetitions were developed. Through an ANOVA the significance of the factors was evaluated and the best level’s factors were selected. As the TDI has two isomers and in this method these two isomers were not always separated an ANOVA with results of resolution between peaks was performed. The Design of Experiments reveals to be a suitable statistical tool to determine the best conditions to quantified free isocyanates from agglomerated cork stoppers to real foodstuff. The best level’s factors to maximize area was column temperature at 30ºC, flow to 0,3 mL/min and solvent 0,1% Ammonium Acetate, to maximize resolution was the same except the solvent that was 0,01% Ammonium Acetate.

Modelação de juntas adesivas por modelos de dano coesivo utilizando o método direto

A utilização de adesivos hoje em dia encontra-se de tal forma disseminada que é transversal a diversos setores do mercado, como a indústria aeroespacial, aeronáutica, automóvel e do desporto. De facto, o uso de ligações adesivas em estruturas mecânicas tem vindo a crescer, na medida em que estes têm substituído os métodos de ligação convencionais, tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. No geral, as ligações adesivas apresentam diversas vantagens, desde a diminuição do peso, redução da concentração de tensões, facilidade de fabrico, bom comportamento a solicitações cíclicas e capacidade de unir materiais dissimilares. O crescente interesse da indústria nas ligações adesivas tem por base o aumento da confiabilidade nos métodos de previsão de resistência de estruturas adesivas. Neste contexto surgem os Modelos de Dano Coesivo, que permitem simular o crescimento do dano em estruturas, após introdução das leis coesivas previamente estimadas nos modelos numéricos. Uma das fases mais importantes neste método de previsão é a estimativa das leis coesivas em tração e corte, pelo que se torna de grande relevância a existência e validação de métodos precisos para a obtenção destas leis. Este trabalho visa a validação de leis coesivas em tração e corte, estimadas pela aplicação do método direto, na previsão da resistência de juntas com geometria de solicitação mista. Neste âmbito, ensaiaram-se JSS e JSD com diferentes comprimentos de sobreposição e com adesivos de diferente ductilidade. Foram considerados os adesivos Araldite® AV138, de elevada resistência e baixa ductilidade, o Araldite® 2015, de moderada ductilidade e resistência intermédia, e o SikaForce® 7752, de baixa resistência e elevada ductilidade. As leis coesivas em modo puro serviram de base para a criação de leis simplificadas triangulares, trapezoidais e linearesexponenciais, que foram testadas para cada um dos adesivos. A validação das mesmas consumou-se por comparação das previsões numéricas com os resultados experimentais. Procedeu-se também a uma análise de tensões de arrancamento e de corte no adesivo, de modo a compreender a influência das tensões na resistência das juntas. A utilização do método direto permitiu obter previsões de resistência bastante precisas, indicando as formas de leis coesivas mais adequadas para cada conjunto adesivo/geometria de junta. Para além disso, para as condições geométricas e materiais consideradas, este estudo permitiu concluir que não se cometem erros significativos na escolha de uma lei menos adequada.

Novo conceito de juntas adesivas utilizando laminados de fibras e metal

Devido às necessidades da indústria atual é cada vez mais importante a utilização de métodos de união de materiais distintos. A utilização de adesivos no processo de produção de materiais compósitos tem uma grande aplicação, uma vez que permite ligar os diferentes materiais e ainda reduzir significativamente o peso do conjunto. Este trabalho teve como principal objetivo aumentar a resistência à delaminação de materiais compósitos no sentido da espessura, concretamente dos plásticos reforçados com fibras de carbono (CFRP), através da utilização de placas da liga de alumínio 2024-T3. Este conceito é muito semelhante ao utilizado nos laminados por fibras e metal (LFM) para aumentar a sua resistência à delaminação. Pretendeu-se também a identificação da configuração da junta que apresenta melhores resultados, comparativamente à junta de referência composta apenas por CFRP. Inicialmente, produziram-se apenas juntas de CFRP que foram utilizadas como comparação com os laminados de fibras e metal. Com o objetivo de melhorar a adesão entre os CFRP e a liga de alumínio, foram realizados três tratamentos superficiais diferentes, nomeadamente a lixagem, a anodização e o ataque com ácido. Posteriormente, foram produzidas as juntas com as seguintes configurações: CFRP-AL-CFRP, CFRP-AL-CFRP-AL-CFRP e AL-CFRP-AL. A realização deste trabalho permitiu concluir que com a adição de placas de alumínio, se conseguiu um melhoramento da resistência à delaminação das fibras de carbono e ainda um aumento da resistência específica no sentido da sua espessura. A JSS com a configuração AL-CFRP-AL e com comprimento de sobreposição de 50 mm foi a configuração que apresentou uma força de rotura mais elevada, ou seja, uma maior resistência à delaminação, comparativamente à junta de referência e às restantes configurações em estudo. A falha coesiva verificada perto da interface da junta AL-CFRP-AL, pode ser devida ao elevado comprimento de sobreposição e às diferentes elasticidades do alumínio e do CFRP, o que naturalmente levou a elevadas tensões localizadas nas extremidades da junta. Os resultados demostraram que é possível aumentar a resistência transversal do compósito utilizando uma placa de alumínio.

Manufacturing arbitrarily-shaped active waveguides with liquid crystal cladding

Many photonic devices are based on waveguides (WG) whose optical properties can be externally modified. These active WGs are usually obtained with electrooptic materials in either the propagating film (core) or the substrate (cladding). In the second case, the WG tunability is based on the interaction of the active material with the evanescent field of the propagating beam.Liquid crystals (LCs) are an excellent choice as electrooptic active materials since they feature high birefringence, low switching voltage, and relatively simple manufacturing. In this work, we have explored alternative ways to prepare WGs of arbitrary shapes avoiding photolithographic steps. To do this, we have employed a UV laser unit (Spectra Physics)attached to an xyzCNC system mounted on an optical bench. The laser power is 300mW, the spot size can be reduced slightly below 1 µm, and the electromechanicalpositioning is well below that number.Different photoresinshave been evaluated for curing time and uniformity; the results have been compared to equivalent WGs realized by standard photolithographic procedures. Best results have been obtained with several kinds of NOA adhesives (Norland Products Inc.) and SU8 (Microchem). NOA81 optical adhesive has been employed by several groups for the preparation ofmicrochannels [1] and microfluidic systems[2]. In our case, several NOAs having different refractive indices have been tested in order to optimize light coupling and guiding. The adhesive is spinnedonto a substrate, and a number of segmented WGs are written with the laser system. The laser power is attenuated 20 dB. Then the laser spot is swept a number of times (from 1 to 900) on every segment. It has been found that, for example, the optimum number of sweeps for NOA81 is 30-70 times (center of the figure) under these conditions. The WG dimensions obtained with this procedure are about 7 µm high and 12 µm wide.

Validação numérica de leis coesivas triangulares para previsão de resistência de juntas adesivas em tração e corte puros

As ligações adesivas surgiram pela necessidade de se encontrar formas de unir componentes, por vezes de materiais distintos, através de técnicas mais vantajosas. Atualmente, qualquer estrutura deve ser resistente, robusta e leve, o que amplificou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, principalmente na melhoria das propriedades de resistência e fratura de materiais. Desta forma, nos últimos anos, a utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem aumentando gradualmente, substituindo alguns métodos de ligação tradicionais, por apresentarem vantagens, tais como redução de concentração de tensões, reduzido peso e facilidade de processamento/fabrico. Em qualquer área da indústria, a aplicação em larga escala de uma determinada técnica de ligação supõe que estão disponíveis ferramentas confiáveis para o projeto e previsão da rotura. Neste âmbito, os Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta fundamental, apesar de ser necessário estimar as leis coesivas do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Nesta dissertação o trabalho experimental consistiu no tratamento de dados com vista à obtenção de GIc e GIIc, com a devida comparação de diferentes métodos de redução, bem como potencialidades e limitações dos mesmos. É realizada uma comparação dos três adesivos: Araldite® AV138, Araldite® 2015 e SikaForce® 7752. Neste trabalho estudou-se também numericamente a adequação de leis coesivas triangulares na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Os ensaios foram simulados numericamente pelo software ABAQUS®, recorrendo ao Método de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos. Para os adesivos Araldite®AV138 e Araldite®2015, à tração e ao corte, a lei triangular previu o comportamento do adesivo com alguma razoabilidade. Para a previsão da resistência do adesivo SikaForce® 7752, a lei triangular não se ajustou convenientemente nem à tração nem ao corte. Considera-se que, para este adesivo, uma lei trapezoidal é a que melhor se adequa, devido à ductilidade do mesmo.