Een nieuwe methode die patronen met een groot oppervlak van driedimensionale nanovormen van metalen platen creëert, vertegenwoordigt een potentieel productiesysteem om goedkoop massaproductie-innovaties zoals "plasmonische metamaterialen" voor geavanceerde technologieën.

De metamaterialen hebben geconstrueerde oppervlakken die kenmerken bevatten, patronen of elementen op de schaal van nanometers die een ongekende controle van licht mogelijk maken en innovaties zoals hogesnelheidselektronica, geavanceerde sensoren en zonnecellen.

De nieuwe methode, genaamd lasershock imprinting, creëert vormen uit de kristallijne vormen van metalen, waardoor ze mogelijk ideale mechanische en optische eigenschappen krijgen met behulp van een tafelmodel dat in staat is om de vormen goedkoop in massa te produceren

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die op vrijdag (12 december) in het tijdschrift verschijnt Wetenschap . Het artikel is geschreven door onderzoekers van de Purdue University, Harvard universiteit, Madrid Instituut voor geavanceerde studies, en de Universiteit van Californië, San Diego. Het onderzoek wordt geleid door Gary Cheng, een universitair hoofddocent industriële techniek aan Purdue.

De vormen, waaronder nanopiramides, versnellingen, bars, groeven en een visnetpatroon, zijn te klein om gezien te worden zonder gespecialiseerde beeldvormingsinstrumenten en zijn duizenden keren dunner dan de breedte van een mensenhaar. De onderzoekers gebruikten hun techniek om nanovormen uit titanium te stempelen, aluminium, koper, goud en zilver.

Een belangrijk voordeel van de schokgeïnduceerde vorming zijn scherp gedefinieerde hoeken en verticale kenmerken, of high-fidelity-structuren.

"Deze nanovormen hebben ook extreem gladde oppervlakken, wat potentieel zeer voordelig is voor commerciële toepassingen, "Cheng zei. "Traditioneel was het heel moeilijk om een ​​kristallijn materiaal te vervormen tot een nanovorm die veel kleiner is dan de korrelgrootte van uitgangsmaterialen. en vanwege de grootte-effecten zijn de materialen supersterk wanneer de korrelgrootte moet worden teruggebracht tot zeer kleine afmetingen. Daarom, het is een hele uitdaging om metaalstroom in nanomallen te genereren met high-fidelity 3D-vormgeving."

De onderzoekers creëerden ook hybride structuren die metaal combineren met grafeen, een ultradunne koolstoflaag die veelbelovend is voor verschillende technologieën. Een dergelijk hybride materiaal zou het plasmonische effect kunnen versterken en "metamateriaal perfecte absorptiemiddelen, " of MPA's, die potentiële toepassingen hebben in opto-elektronica en draadloze communicatie.

"We kunnen nanopatronen genereren op hybride metaal-grafeenmaterialen, die nieuwe manieren opent om 2D-kristallen te vormen, ' zei Chen.

De techniek werkt door een gepulseerde laser te gebruiken om "high strain rate" inprenting van metalen in de nanomold te genereren.

"We beginnen met een dunne metalen film, en we kunnen het vervormen tot 3D-nanovormen met patronen over grote gebieden, "Cheng zei. "Wat interessanter is, is dat de resulterende 3D-nanostructuren nog steeds kristallijn zijn na het afdrukproces, die goede elektromagnetische en optische eigenschappen biedt."

Terwijl andere onderzoekers nanovormen hebben gemaakt van relatief zachte of amorfe materialen, het nieuwe onderzoek laat zien hoe je nanovormen kunt maken van harde en kristallijne metalen.

De silicium nanomallen werden vervaardigd in het Birck Nanotechnology Center in Purdue's Discovery Park door een onderzoeksgroep onder leiding van Minghao Qi, een universitair hoofddocent van elektrische en computer engineering.

"Het is contra-intuïtief om silicium voor mallen te gebruiken, omdat het een behoorlijk broos materiaal is in vergelijking met metalen, " zei Qi. "Echter, nadat we een ultradunne laag aluminiumoxide op de nanomallen hebben afgezet, het presteert buitengewoon goed voor dit doel. De nanomallen kunnen vele malen worden hergebruikt zonder duidelijke schade. Een deel van de reden is dat hoewel de reksnelheid erg hoog is, de toegepaste schokdruk is slechts ongeveer 1-2 gigapascal."

De vormen bleken een "aspect ratio" te hebben van wel 5, wat betekent dat de hoogte vijf keer groter is dan de breedte, een belangrijk kenmerk voor de prestaties van plasmonische metamaterialen.

"Het is een zeer uitdagende taak vanuit het oogpunt van fabricage om ultragladde, high-fidelity nanostructuren, "zegt Qi. "Normaal gesproken vormen metalen, wanneer ze herkristalliseren, korrels en dat maakt ze min of meer ruw. Eerdere proeven om metalen nanostructuren te vormen, moesten hun toevlucht nemen tot imprinting onder zeer hoge druk van kristallijne metalen of imprinting van amorf metaal, die ofwel een hoge ruwheid geeft in kristallijne metalen of gladde oppervlakken in amorfe metalen maar een zeer hoge elektrische weerstand. Voor mogelijke toepassingen in nano-elektronica, opto-elektronica en plasmonica wilt u eigenschappen zoals hoge precisie, laag elektromagnetisch verlies, hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. Je wilt ook dat het erg betrouwbaar is in termen van het patroon, Scherpe hoeken, verticale zijwanden, en die zijn erg moeilijk te verkrijgen. Voor Gary's doorbraak, Ik dacht dat het onwaarschijnlijk was om alle goede eigenschappen samen te bereiken."

Het artikel is geschreven door Purdue-promovendi Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, en Yingling Yang; onderzoeker Ramses V. Martinez van Harvard en Madrid Institute for Advanced Studies; Purdue onderzoeksassistent professor Yi Xuan, Purdue onderzoeksmedewerker Chunyu Li; Jian Luo, een professor aan de Universiteit van Californië, San Diego; Qi en Cheng.

Toekomstig onderzoek kan zich richten op het gebruik van de techniek om een ​​roll-to-roll productiesysteem te creëren, die in veel industrieën wordt gebruikt, waaronder de productie van papier en plaatmetaal, en van belang kan zijn voor nieuwe toepassingen zoals flexibele elektronica en zonnecellen.