(PhysOrg.com) -- Toen een team van universitaire en industriële onderzoekers een roman probeerde, gieterij-achtige vormvultechniek om apparaten op nanoschaal te maken, ze beseften dat ze een juweel hadden ontdekt.

Ze waren niet alleen de pioniers van een driedimensionale fabricagemethode op nanoschaal, ze gebruikten het proces om ultraharde, slijtvaste nanosondes uit een materiaal vergelijkbaar met diamant.

Op grotere schaal, materialen die er glad uitzien, schuren nog steeds vanwege kleine onregelmatigheden en defecten aan hun oppervlakken. Echter, op nanoschaal, atomen wrijven een voor een af, nieuwe uitdagingen creëren voor onderzoekers die apparaten bouwen die soms maar tientallen atomen breed zijn.

"De effecten van wrijving zijn belangrijk in apparaten en processen op nanoschaal, waar oppervlaktekrachten zoals wrijving steeds dominanter worden vanwege de hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding, " zegt Kumar Sridharan, een vooraanstaand onderzoeksprofessor in de technische fysica aan de Universiteit van Wisconsin-Madison en lid van het onderzoeksteam.

Het team, waaronder ook onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania en IBM Research-Zurich, publiceerde details van zijn onderzoek op 31 januari in de geavanceerde online-editie van Natuur Nanotechnologie .

Het voorschot is de sleutel omdat het een methode demonstreert voor het toepassen, in een driedimensionale toepassing op nanoschaal, siliciumhoudende diamantachtige koolstof, of Si-DLC. In de studie, toonden de onderzoekers aan dat Si-DLC, die wordt gewaardeerd om zijn lage wrijving en hoge slijtvastheid op macroschaal, vertoont ook een vergelijkbare uitstekende slijtvastheid op nanoschaal.

"Het was niet duidelijk dat materialen die slijtvast zijn op macroschaal dezelfde eigenschap vertonen op nanoschaal, " zegt hoofdauteur Harish Bhaskaran, een voormalig IBM-onderzoeker die nu onderzoeker is bij de afdeling Electrical Engineering van Yale University.

Ontwikkeld door Sridharan, de nieuwe "nano-gieterij"-techniek zou gemakkelijk kunnen worden opgeschaald voor commerciële productie.

Met behulp van een IBM silicium-op-isolatorwafel die is geëtst met scherpe, piramidevormige "mallen, " Sridharan gebruikte Si-DLC om ultrascherpe tips te fabriceren, met een straal van 5 nanometer, op standaard silicium microcantilevers.

Momenteel, fabrikanten etsen de tips uit silicium. Echter, voor de nieuwe gieterijmethode, Sridharan maakte gebruik van plasma-immersie-ionenimplantatie en -afzetting, een proces bij kamertemperatuur dat eerder werd gebruikt voor het aanbrengen, of "deponeren, " coatings op het implanteren van ionen in andere materialen. "We hebben altijd dunne films op materialen afgezet, "zegt hij. "We hebben het gezien als een tweedimensionaal oppervlaktemodificatieproces."

In drie dimensies, de techniek werkt een beetje zoals de manier waarop een sneeuwval de grond bedekt. In dit geval, de "sneeuw" is geïoniseerd hexamethyldisiloxaan, een vloeibare voorloper van Si-DLC die vergast in de plasmakamer en uiteindelijk netjes verpakt in de mallen op de IBM-wafer. "Ons proces heeft ons in staat gesteld om een ​​zeer scherpe punt te vullen, zeer nauwkeurig, ', zegt Sridharan.

Een ander voordeel is dat Si-DLC een amorf, in plaats van kristallijn, materiaal. Als een kristal te groot is, de mal zal onregelmatig vullen en de puntscherpte beperken. Echter, een amorf materiaal kan atoom voor atoom in de mal glijden, helemaal vullen, als regendruppels in een emmer.

Naast het volledig vullen van de tipvormen, Si-DLC bedekt ook de hele wafer. De onderzoekers ontwikkelden een eenvoudige, commercieel haalbaar tweestaps siliciumetsproces om de punt en de geïntegreerde cantilever van de wafer los te maken.

De tips hebben toepassingen in atoomkrachtmicroscopie, gegevensopslag en nanofabricage. Bij slijtagetesten waarbij de onderzoekers de tips enkele dagen onafgebroken over een siliciumdioxide-oppervlak schuiven, ze ontdekten dat de Si-DLC-tips 3 waren, 000 keer slijtvaster dan siliconen tips. "We hebben materiaal genomen dat goed is op macroschaal, we fabriceren het op nanoschaal, en we laten zien dat het slijtvast is op nanoschaal, ' zegt Bhaskaran.

Andere auteurs op de Natuur Nanotechnologie papier omvatten Bernd Gotsmann, Aboe Sebastiaan, Ute Drechsler, Mark A. Lantz, Michel Despont, Papot Jaroenapibal, Robert W. Carpick, en Yun Chen.