Gouden nanodeeltjes kleiner dan 10 nanometer organiseren spontaan zichzelf op geheel nieuwe manieren wanneer ze in kanaalachtige sjablonen worden gevangen. Een nieuwe studie toont aan dat deze functie de fabricage op nanoschaal van biosensoren en plasmonische apparaten met ingewikkelde, oppervlaktestructuren met een hoge dichtheid.

Het genereren van oppervlaktepatronen op schalen van 10 nanometer en lager is moeilijk met de huidige technologie. Een internationaal team, onder leiding van Joel Yang van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore, helpt deze beperking te omzeilen met behulp van een techniek die bekend staat als 'directed self-assembly of nanoparticles' (DSA-n).

Deze benadering neemt bolvormige nanodeeltjes die spontaan organiseren in geordende, tweedimensionale films wanneer ingevoegd in lithografisch gedefinieerde sjablonen. De sjablonen leggen geometrische beperkingen op die de films dwingen zich te organiseren in specifieke patronen op nanoschaal.

De meeste patronen geproduceerd door DSA-n, echter, zijn eenvoudige periodieke regelingen. Om de mogelijkheden van deze techniek te verbreden, onderzoekers onderzoeken 'structuurovergangen' die optreden wanneer sjabloonbeperkingen vergelijkbaar worden met de grootte van de nanodeeltjes. Bij deze afmetingen de kleine bollen kunnen ontwrichten van typische periodieke posities en heroriënteren in onvoorspelbare nieuwe geometrieën.

Eerdere studies hebben real-time videomicroscopie gebruikt om structuurovergangen in colloïden op microschaal vast te leggen, maar directe beeldvorming van sub-10 nanometerdeeltjes is bijna onmogelijk. "Daar kwamen we op het idee om sjablonen te gebruiken op basis van kanalen met geleidelijk variërende breedtes, " zegt co-auteur Mohamed Asbahi. "Met dit systeem, we kunnen de zelfassemblage van de nanodeeltjes volgen op basis van de ruimte die voor hen toegankelijk is."

Met behulp van elektronenstraallithografietechnieken, het team heeft een reeks naar binnen taps toelopende sleuven uitgehouwen die zijn ontworpen om in 1 tot 3 rijen gouden nanodeeltjes te passen. Na het afzetten van een monolaag van deeltjes van 8 nanometer in de sjabloon, ze gebruikten scanning-elektronenmicroscopie om eventuele opkomende breedteafhankelijke patronen te identificeren. Tussen periodiek geordende rijen, de onderzoekers zagen duidelijk bewijs van overgangsstaatzones - regio's waar de kleine bollen uit de lijn raken en geleidelijk nieuwe, driehoekige verpakkingspatronen.

Na analyse van de overgangstoestanden met computationele Monte Carlo-simulaties, Yang en collega's identificeerden verschillende dominante terugkerende patronen met verschillende geometrieën uit typische DSA-n-afzettingen. Omdat de voorwaarden die nodig zijn om deze patronen te genereren wiskundig kunnen worden voorspeld, het team is ervan overtuigd dat deze bevindingen praktische toepassingen voor oppervlakte-engineering kunnen hebben.

"Het succes van DSA-n hangt af van de positioneringsnauwkeurigheid van de deeltjes, ", zegt Yang. "Door gebruik te maken van de rijke reeks structurele geometrieën die bestaan ​​tussen geordende toestanden, we kunnen sjablonen ontwerpen die deeltjes naar complexe periodieke en niet-periodieke structuren leiden."