Onderzoekers hebben een nieuw proces gedemonstreerd voor het snel fabriceren van complexe driedimensionale nanostructuren uit een verscheidenheid aan materialen, inclusief metalen. De nieuwe techniek maakt gebruik van nano-elektrospray om te zorgen voor een continue toevoer van vloeibare precursor, die metaalionen kunnen bevatten die door een gefocusseerde elektronenstraal worden omgezet in zeer zuiver metaal.

Het nieuwe proces genereert structuren die onmogelijk te maken zouden zijn met behulp van gasfasefocusseerde elektronenbundelgeïnduceerde depositie (FEBID) technieken, en maakt fabricage mogelijk met snelheden tot vijf orden van grootte sneller dan de gasfasetechniek. En omdat het standaard vloeibare oplosmiddelen gebruikt, het nieuwe proces kan profiteren van een breed scala aan voorlopermaterialen. Er kunnen ook meerdere materialen tegelijk worden gedeponeerd.

"Door ons in staat te stellen veel sneller structuren te laten groeien met een breed scala aan voorlopers, deze techniek opent echt een geheel nieuwe richting voor het maken van een hiërarchie van complexe driedimensionale structuren met een resolutie op nanoschaal met de snelheid die vereist is voor schaalbaarheid van de productie, " zei Andrei Fedorov, een professor aan de George Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Dit zou een fundamentele verschuiving kunnen betekenen in de manier waarop dit veld zal gaan."

Het onderzoek werd ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie en werd gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters . Toepassingen voor het snel schrijven met elektronenstralen van topologisch complexe 3D-nanostructuren kunnen nieuwe soorten elektrodetopologieën voor batterijen en brandstofcellen omvatten, verticaal gestapeld elektronisch geheugen, substraten voor het regelen van celdifferentiatie en kleine elektrochemische conversie-apparaten.

In het gevestigde FEBID-proces, een elektronenstraal wordt gebruikt om structuren te schrijven van moleculen die zijn geadsorbeerd op een vast oppervlak dat ondersteuning en nucleatieplaatsen biedt voor de groei van afzettingen. De voorlopers worden in de gasfase in de hoogvacuüm elektronenmicroscoopkamer gebracht. Hoogenergetische elektronen in de straal werken samen met het substraat om de laagenergetische secundaire elektronen te produceren, die de geadsorbeerde precursormoleculen dissociëren, resulterend in afzetting van vast materiaal op het substraatoppervlak.

Hoewel het nauwkeurige atoom-voor-atoom fabricage van nanostructuren mogelijk maakt, het proces is erg traag omdat de lage dichtheid van geadsorbeerde gasmoleculen in de vacuümomgeving de hoeveelheid materiaal die beschikbaar is voor fabricage beperkt. En structuren moeten vanaf het substraatoppervlak naar boven worden gefabriceerd met een voortdurend afnemende groeisnelheid en uit een beperkt aantal beschikbare precursorgassen.

Fedorov en zijn medewerkers hebben het proces drastisch versneld door elektrisch geladen voorlopers in de vloeibare fase rechtstreeks in het hoogvacuüm van de elektronenmicroscoopkamer te brengen. Voorlopers in de vloeibare fase waren eerder aangetoond, maar de materialen moesten worden ingesloten in een kleine capsule waar de reactie plaatsvond, beperking van de fabricageflexibiliteit, capaciteit en bruikbaarheid van de aanpak voor 3D-nanofabricage.

Het onderzoeksteam - inclusief afgestudeerde student en eerste auteur Jeffrey Fisher, postdoctoraal onderzoeker Songkil Kim en senior onderzoeksingenieur Peter Kottke - gebruikten oplosmiddelen met een lage vluchtigheid zoals ethyleenglycol, het oplossen van een zout van zilver in de vloeistof. in oplossing, het zout dissocieert in zilverkationen, waardoor de productie van zilvermetaalafzettingen mogelijk wordt door een elektrochemische reductiereactie met behulp van gesolvateerde secundaire elektronen in plaats van directe moleculaire ontleding.

Het oplosmiddel dat de gewenste materiaalionen bevat, wordt in de kamer gebracht met behulp van een nano-elektrospraysysteem dat bestaat uit een klein mondstuk met een diameter van slechts enkele microns. Door het gerichte elektrische veld op het mondstuk aan te brengen, de vloeistofstraal wordt getrokken en afgeleverd op het substraat en vormt een nauwkeurig gecontroleerde dunne vloeistoffilm.

De elektrospray produceert geladen druppeltjes op nanometerschaal uit een Taylor-kegelstraal met een diameter van slechts 100 nanometer, die bij botsing samenvloeien en een dunne film van de voorloper op het vaste substraat vormen.

Het onderzoeksteam gebruikte de elektronenstraal zelf om de Taylor-kegelstraal in de vacuümomgeving te visualiseren, de eerste keer dat dit ooit is aangetoond, evenals om de dikte van de vloeibare film in situ te meten met behulp van een "liniaal" op nanoschaal die geprefabriceerd is op het depositiesubstraat. De elektronenstraal scant vervolgens over de vloeibare film volgens een gewenst patroon, het produceren van geschikte energie-elektronen die de kationen solvateren en verminderen, schrijfstructuren in nauwkeurige formatie van de voorloper die door de geëlektrificeerde jet wordt geleverd. Hoewel verdamping van het oplosmiddel optreedt, de nano-elektrospray kan lang genoeg een stabiele film behouden om de structuren te vormen.

De combinatie van een dichtere voorloper, vermindering van materiaaloverdrachtsproblemen en eliminatie van de noodzaak om chemische bindingen met de elektronenstraal te verbreken, maakt fabricage tot vijf ordes van grootte mogelijk - een factor 5, 000 – sneller dan de eerdere gasfasetechniek.

"Door de energie van de straal en de stroom te veranderen, we kunnen nanostructuren bij voorkeur veel sneller in 3D laten groeien, ' zei Fedorov. 'Plotseling, er zijn een hele reeks verschillende toepassingen die voorheen niet mogelijk waren."

Variërend van het voorlopertype, film dikte, concentratie van ionen en de energie en stroom van de elektronenstraal bepaalt de soorten structuren die kunnen worden gemaakt, zei Fedorov. Structuren zoals bruggen die palen verbinden worden mogelijk omdat er materiaal op de dunne films kan worden geschreven.

De onderzoekers hebben koolstofnanopilaren van vijf micron lang gefabriceerd, wandachtige nanostructuren die twee nanopilaren verbinden, en zwevende brugachtige boog nanostructuren die nanopilaren verbinden. De structuren vereisten groeitijden variërend van 2 tot 40 seconden. Er zijn ook zilveren micropilaren gemaakt.

Het nieuwe proces biedt aanzienlijke flexibiliteit bij de fabricage, het openen van de mogelijkheid om meer dan één materiaal tegelijk te deponeren. Dat zou de productie van legeringen en composieten mogelijk maken, zoals combinaties van zilver en goud. Of, één materiaal zou kunnen worden gebruikt als een sjabloon om te worden gecoat door een ander materiaal met de eenvoudige vervanging van voorlopermaterialen.

Tot dusver, het Georgia Tech-team heeft structuren gemaakt van zilver en koolstof, maar het proces zou kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan metalen en niet-metalen nanomaterialen te fabriceren. Met behulp van de techniek geproduceerde metalen kunnen zeer zuiver zijn omdat een stap van de dissociatie van koolstofproducerende voorlopers kan worden verzacht.

De volgende stap zal zijn om de fysica en chemie te begrijpen die het fabricageproces beheersen om een ​​nauwkeurigere controle mogelijk te maken en om anderen te begeleiden die het misschien voor hun eigen specifieke toepassingen willen gebruiken.

"We verwachten dat de rol van de oplosmiddelen erg belangrijk zal zijn in de soorten kinetische routes die we kunnen beheersen om veel verschillende soorten structuren te produceren met de gewenste chemische samenstelling, "zei Fedorov. "Dit geeft ons de kans om een ​​regime van scheikunde en natuurkunde te verkennen dat voorheen buiten het bereik was van wat we konden bestuderen. We willen inzicht krijgen in de fundamentele natuurkunde en scheikunde van het proces."

Toekomstig werk zal een studie omvatten van hoe de interactie van bundels met verschillende energieën, vacuüm omgevingen, oplosmiddelen en concentraties van ionensoorten beïnvloeden de uitkomst.

"We hebben aangetoond dat we vloeibare voorlopers kunnen elektrosprayen in een hoogvacuümomgeving van een elektronenmicroscoop en vervolgens elektronen kunnen gebruiken om nuttige chemische transformaties te vergemakkelijken, "zei Fedorov. "We denken dat dit wetenschappers en ingenieurs in staat zal stellen constructies te maken waar ze voorheen alleen maar van konden dromen."