De groep van Luis Fernando Velásquez-García bij MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL) ontwikkelt dichte reeksen microscopisch kleine kegeltjes die elektrostatische krachten benutten om ionenstromen uit te stoten.

De technologie heeft een reeks veelbelovende toepassingen:het deponeren of etsen van kenmerken op mechanische apparaten op nanoschaal; het spinnen van nanovezels voor gebruik in waterfilters, kogelvrije vesten, en "slim" textiel; of voortstuwingssystemen voor vuistgrote 'nanosatellieten'.

In het laatste nummer van het IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-Garcia, zijn afgestudeerde studenten Eric Heubel en Philip Ponce de Leon, en Frances Hill, een postdoc in zijn groep, beschrijf een nieuwe prototype-array die 10 keer de ionenstroom per emitter genereert die eerdere arrays deden.

Ionenstroom is een maat voor de lading gedragen door bewegende ionen, wat zich direct vertaalt naar de snelheid waarmee deeltjes kunnen worden uitgeworpen. Hogere stromen beloven dus een efficiëntere fabricage en wendbare satellieten.

Hetzelfde prototype propt ook 1, 900 zenders op een chip van slechts een centimeter in het vierkant, verviervoudiging van de arraygrootte en emitterdichtheid van zelfs de beste van zijn voorgangers.

"Dit is een veld dat profiteert van het miniaturiseren van de componenten, omdat het verkleinen van emitters minder stroomverbruik met zich meebrengt, minder voorspanning om ze te laten werken, en hogere doorvoer, " zegt Velásquez-García, een hoofdonderzoeker bij MTL. "Het onderwerp dat we hebben aangepakt, is hoe we deze apparaten zo dicht mogelijk bij de theoretische limiet kunnen laten werken en hoe we de doorvoer aanzienlijk kunnen verhogen dankzij multiplexen, met massaal parallelle apparaten die uniform werken."

Wanneer Velásquez-García spreekt van een "theoretische limiet, " hij heeft het over het punt waarop druppeltjes - klompjes moleculen - in plaats van ionen - individuele moleculen - beginnen weg te stromen van de emitters. Onder andere problemen, druppels zijn zwaarder, dus hun uitwerpsnelheid is lager, waardoor ze minder bruikbaar zijn voor etsen of satellietvoortstuwing.

De ionen die door het prototype van Velásquez-García worden uitgestoten, worden geproduceerd uit een ionisch zout dat bij kamertemperatuur vloeibaar is. Oppervlaktespanning transporteert de vloeistof langs de zijkant van de emitters naar de punt van de kegel, waarvan de smalheid het elektrostatische veld concentreert. Op het puntje, de vloeistof is geïoniseerd en, ideaal, één molecuul tegelijk uitgeworpen.

Vertraag de stroom

Wanneer de ionenstroom in een emitter hoog genoeg wordt, druppelvorming is onvermijdelijk. Maar eerdere zenderarrays - die zowel door de groep van Velásquez-García als door anderen zijn gebouwd - voldeden ver onder die drempel.

Het verhogen van de ionenstroom van een array is een kwestie van het reguleren van de stroom van het ionische zout langs de zijden van de emitters. Om dat te doen, de MIT-onderzoekers hadden eerder zwart silicium gebruikt, een vorm van silicium gegroeid als dicht opeengepakte borstelharen. Maar in het nieuwe werk ze gebruikten in plaats daarvan koolstofnanobuisjes - atoomdikke vellen koolstof die in cilinders waren gerold - die op de hellingen van de emitters waren gegroeid als bomen op een berghelling.

Door de dichtheid en hoogte van de nanobuisjes zorgvuldig af te stemmen, de onderzoekers waren in staat om een ​​vloeistofstroom te bereiken die een werkende ionenstroom mogelijk maakte die dicht bij de theoretische limiet lag.

"We laten ook zien dat ze uniform werken - dat elke zender precies hetzelfde doet, " zegt Velásquez-García. Dat is cruciaal voor nanofabricagetoepassingen, waarin de diepte van een ets, of de hoogte van deposito's, moet consistent zijn over een hele chip.

Om de groei van de nanobuisjes te beheersen, de onderzoekers bedekken de emitterreeks eerst met een ultradunne katalysatorfilm, dat wordt opgebroken in deeltjes door chemische reacties met zowel het substraat als de omgeving. Vervolgens stellen ze de array bloot aan een plasma dat rijk is aan koolstof. De nanobuisjes groeien op onder de katalysatordeeltjes, die er bovenop zitten, totdat de katalysator degradeert.

Het verhogen van de emitterdichtheid - de andere verbetering die in het nieuwe artikel wordt vermeld - was een kwestie van het optimaliseren van het bestaande fabricagerecept, " zegt Velásquez-García. De zenders, zoals de meeste siliciumapparaten op nanoschaal, werden geproduceerd door middel van fotolithografie, een proces waarbij patronen optisch worden overgebracht op materiaallagen die zijn afgezet op siliciumwafels; een plasma etst vervolgens het materiaal weg volgens het patroon. "Het recept is de gassen, stroom, drukniveau, tijd, en de volgorde van de ets, " zegt Velásquez-García. "We zijn 15 jaar geleden begonnen met het maken van elektrospray-arrays, en het maken van verschillende generaties apparaten gaf ons de knowhow om ze beter te maken."

Nanoprinten

Velásquez-García is van mening dat het gebruik van arrays van emitters om nanodevices te produceren verschillende voordelen kan hebben ten opzichte van fotolithografie - de techniek die de arrays zelf produceert. Omdat ze bij kamertemperatuur kunnen werken en geen vacuümkamer nodig hebben, de arrays kunnen materialen afzetten die niet bestand zijn tegen de extreme omstandigheden van veel micro- en nanoproductieprocessen. En ze zouden het tijdrovende proces van het afzetten van nieuwe materiaallagen kunnen elimineren, ze bloot te stellen aan optische patronen, ze etsen, en dan helemaal opnieuw beginnen.

"Naar mijn mening, de beste nanosystemen zullen worden gemaakt door 3D-printen omdat het de problemen van standaard microfabricage zou omzeilen, Velásquez-García zegt. "Het gebruikt onbetaalbaar dure apparatuur, die een hoog opleidingsniveau vereist om te kunnen werken, en alles is gedefinieerd in vlakken. In veel toepassingen wil je de driedimensionaliteit:3D-printen gaat een groot verschil maken in het soort systemen dat we kunnen samenstellen en de optimalisatie die we kunnen doen."

"Normaal gesproken is het belang van dit type zender om een ​​ionenstraal uit te zenden en niet een straal druppeltjes, " zegt Herbert Shea, een universitair hoofddocent in het Microsystems for Space Technologies Laboratory aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Door hun nanobuisbos te gebruiken, ze zijn in staat om de apparaten in pure ion-modus te laten werken, maar hebben een hoge stroomsterkte die doorgaans wordt geassocieerd met de druppelmodus."

Shea gelooft dat in ieder geval op korte termijn, de meest veelbelovende toepassing van de technologie is de voortstuwing van ruimtevaartuigen. "Het zou veel moeite kosten om er een praktisch gereedschap voor microbewerking van te maken, overwegende dat het weinig moeite zou kosten om het te gebruiken als voortstuwing voor kleine ruimtevaartuigen, "zegt hij. "De reden dat je in de ionenmodus wilt zijn, is om de massa van het drijfgas zo efficiënt mogelijk om te zetten in het momentum van het ruimtevaartuig."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.