(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania, de University of Wisconsin-Madison en IBM Research - Zürich hebben een ultrascherpe punt van siliciumcarbide gefabriceerd die zo sterk is dat hij duizenden keren slijtvaster is op nanoschaal dan eerdere ontwerpen. De nieuwe tip, dat is 100, 000 keer kleiner dan de punt van een potlood, vormt een belangrijke stap in de richting van nanofabricage voor toepassingen, inclusief biosensoren voor zorg en milieu.

De zoektocht naar harde materialen om de levensduur van scherpe gereedschappen te verlengen is een eeuwenoud probleem dat begon met de eerste beitels die werden gebruikt in steenhouwen. Uiteindelijk werd ijzer ontdekt en stalen gereedschappen brachten een revolutie teweeg in het tijdperk. Vandaag, de uitdaging blijft hetzelfde, maar op een veel kleinere schaal - de behoefte aan een tip van nanoformaat die zowel ultrascherp als maar toch fysiek robuust, vooral onder extreme temperaturen en agressieve chemische omgevingen.

"Het droompuntmateriaal voor thermomechanische nanofabricage moet een hoge hardheid hebben, temperatuur stabiliteit, chemische inertie, en hoge thermische geleidbaarheid, " zei Dr. Mark Lantz, manager in opslagonderzoek bij IBM Research - Zürich. "Met deze nieuwe tip blijven we IBM's visie van een slimmere, geïnstrumenteerde wereld met microscopische sensoren die alles bewaken, van watervervuiling tot patiëntenzorg."

Door hun eerdere succesvolle samenwerking voort te zetten, wetenschappers aan de Universiteit van Pennsylvania, de Universiteit van Wisconsin-Madison en IBM Research - Zürich hebben een nieuwe, resistente tip van nanoformaat die slijt met een snelheid van minder dan één atoom per millimeter glijden op een substraat van siliciumdioxide. Dit is veel lager dan de slijtagesnelheid van conventionele siliconentips en de hardheid is 100 keer groter dan die van de voorheen ultramoderne met siliciumoxide gedoteerde diamantachtige koolstoftips die vorig jaar door dezelfde samenwerking werden ontwikkeld.

"Vergeleken met ons eerdere werk in silicium, de nieuwe hardmetalen punt kan ongeveer 10 op een siliciumdioxide-oppervlak schuiven, 000 keer verder voordat hetzelfde slijtagevolume wordt bereikt en 300 keer verder dan onze vorige diamantachtige koolstoftip. Dit is een belangrijke prestatie die nanofabricage zowel praktisch als betaalbaar zal maken, " zei prof. Robert W. Carpick, Universiteit van Pennsylvania.

Om de nieuwe tip te maken, wetenschappers ontwikkelden een proces waarbij de oppervlakken van siliciumpunten op nanoschaal worden blootgesteld aan koolstofionen en vervolgens worden uitgegloeid zodat een sterke siliciumcarbidelaag wordt gevormd, maar de scherpte op nanoschaal van de originele siliconentip blijft behouden. Hoewel siliciumcarbide al lang bekend staat als een ideaal kandidaatmateriaal voor dergelijke tips, het unieke koolstofimplantatie- en gloeiproces maakte het mogelijk om het oppervlak te harden met behoud van de oorspronkelijke vorm en een sterke hechting tussen het geharde oppervlak van de punt en het onderliggende materiaal - vergelijkbaar met hoe staal wordt getemperd om het harder te maken.

Voornamelijk bestaande uit koolstof en silicium, de punt is geslepen tot een top van nanoformaat en geïntegreerd op het uiteinde van een silicium microcantilever voor gebruik in atoomkrachtmicroscopie. Het belang van de ontwikkeling ligt niet alleen in het vermogen om de scherpte van de punt te behouden en de slijtvastheid, maar ook in zijn uithoudingsvermogen bij het glijden tegen een harde ondergrond zoals siliciumdioxide. Omdat silicium - dat in bijna alle apparaten met geïntegreerde schakelingen wordt gebruikt - in de atmosfeer oxideert, vormt een dunne laag van zijn oxide, dit systeem is een van de meest relevante voor opkomende toepassingen in nanolithografie en nanofabricagetoepassingen.

Specifieker, wetenschappers hopen dat de nieuwe tip kan worden gebruikt om biosensoren te fabriceren, bijvoorbeeld voor het beheersen van glucosespiegels bij diabetespatiënten of het bewaken van vervuilingsniveaus in water.

Op sondes gebaseerde technologieën zullen naar verwachting een overheersende rol spelen in veel van dergelijke technologieën. Echter, slechte slijtageprestaties van de tot nu toe gebruikte tipmaterialen, vooral wanneer geschoven tegen siliciumoxide, hebben eerder hun bruikbaarheid voor experimentele toepassingen beperkt.

De volgende stap voor wetenschappers is om te beginnen met het testen van de nieuwe tip voor gebruik in toepassingen, beginnend met nanofabricage.

De studie, vandaag gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Geavanceerde functionele materialen , werd gezamenlijk uitgevoerd door Dr. Mark A. Lantz en Dr. Bernd Gotsmann, IBM Research - Zürich; Tevis DB Jacobs, Dr. Papot Jaroenapibal, Prof. Robert W. Carpick, Universiteit van Pennsylvania; en Sean D. O'Connor en prof. Kumar Sridharan, Universiteit van Wisconsin.