Elektronenmicroscopie-onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een unieke manier ontwikkeld om 3D-structuren te bouwen met nauwkeurig gecontroleerde vormen zo klein als een tot twee miljardste van een meter.

De ORNL-studie gepubliceerd in het tijdschrift Klein laat zien hoe scanning transmissie-elektronenmicroscopen, normaal gebruikt als imaging-tools, zijn ook in staat om 3D-kenmerken ter grootte van een nanometer nauwkeurig te modelleren in complexe oxidematerialen.

Door de precisie van één atomair vlak aan te bieden, de techniek zou toepassingen kunnen vinden bij het fabriceren van structuren voor functionele apparaten op nanoschaal, zoals microchips. De structuren groeien epitaxiaal, of in perfecte kristallijne uitlijning, wat ervoor zorgt dat dezelfde elektrische en mechanische eigenschappen zich door het hele materiaal uitstrekken.

"We kunnen kleinere dingen maken met preciezere vormen, " zei ORNL's Albina Borisevich, die de studie leidde. "Het proces is ook epitaxiaal, dat geeft ons veel meer uitgesproken controle over eigenschappen dan we zouden kunnen bereiken met andere benaderingen."

Wetenschappers van ORNL kwamen de methode tegen toen ze een onvolmaakt geprepareerde dunne film van strontiumtitanaat in beeld brachten. Het voorbeeld, bestaande uit een kristallijn substraat bedekt met een amorfe laag van hetzelfde materiaal, getransformeerd terwijl de elektronenbundel er doorheen ging. Een team van ORNL's Institute for Functional Imaging of Materials, die wetenschappers uit verschillende disciplines verenigt, werkten samen om de ontdekking te begrijpen en te exploiteren.

"Toen we de amorfe laag blootstelden aan een elektronenstraal, we leken het te duwen in de richting van het aannemen van zijn geprefereerde kristallijne staat, "Zei Borisevich. "Het doet dat precies waar de elektronenstraal is."

Het gebruik van een scanning transmissie-elektronenmicroscoop, die een elektronenstraal door een bulkmateriaal laat gaan, onderscheidt de aanpak van lithografietechnieken die alleen het oppervlak van een materiaal modelleren of manipuleren.

"We gebruiken fijne controle van de straal om iets in de vaste stof zelf te bouwen, " zei Stephen Jesse van ORNL. "We maken transformaties die diep in de structuur zijn begraven. Het zou zijn als tunnelen in een berg om een ​​huis te bouwen."

De techniek biedt een kortere weg voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van hoe de eigenschappen van materialen veranderen met de dikte. In plaats van meerdere monsters van verschillende breedtes af te beelden, wetenschappers zouden de microscopiemethode kunnen gebruiken om lagen aan het monster toe te voegen en tegelijkertijd te observeren wat er gebeurt.

"Het hele uitgangspunt van nanowetenschap is dat wanneer je een materiaal krimpt, het eigenschappen vertoont die heel anders zijn dan het bulkmateriaal, "Zei Borisevich. "Hier kunnen we dat controleren. Als we weten dat er een zekere afhankelijkheid van grootte is, we kunnen precies bepalen waar we op die curve willen zijn en daarheen gaan."

Theoretische berekeningen op ORNL's Titan-supercomputer hielpen de onderzoekers de onderliggende mechanismen van het proces te begrijpen. De simulaties toonden aan dat het waargenomen gedrag, bekend als een domino-proces, is consistent met de elektronenstraal die energie overbrengt naar individuele atomen in het materiaal in plaats van een gebied van het materiaal te verwarmen.

"Met de elektronenstraal, we injecteren energie in het systeem en duwen waar het anders vanzelf zou gaan, voldoende tijd gegeven, "Zei Borisevich. "Thermodynamisch wil het kristallijn zijn, maar dit proces duurt lang bij kamertemperatuur."

De studie is gepubliceerd als "Atomic-level sculpting of crystal oxides:to bulk nanofabrication with single aatomic plane precision."