Het ontwerpen van een 3D-geprinte structuur is al moeilijk genoeg als het product inches of feet groot is. Stel je voor dat je het kleiner maakt dan een druppel water, zelfs kleiner dan een mensenhaar, totdat het wordt overschaduwd door een gewone bacterie.

Deze onmogelijk kleine structuur kan worden gerealiseerd met gefocusseerde elektronenbundel-geïnduceerde afzetting, of FEBID, in wezen 3D-printen op nanoschaal. FEBID gebruikt een elektronenstraal van een scanning elektronenmicroscoop om gasvormige precursormoleculen te condenseren tot een vaste afzetting op een oppervlak.

Eerder, deze methode was omslachtig, gevoelig voor fouten en onpraktisch voor het maken van complexe structuren groter dan enkele nanometers. Nutsvoorzieningen, een team van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, in samenwerking met de University of Tennessee en de Graz University of Technology, heeft een krachtig simulatie-geleid ontwerpproces ontwikkeld om FEBID te verbeteren en nieuwe mogelijkheden in nanofabricage te introduceren.

Teamleider Jason Fowlkes, een onderzoeksmedewerker bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, zei dat het nieuwe systeem ontwerp en constructie integreert in één gestroomlijnd proces dat complexe 3D-nanostructuren creëert.

Harald-plank, studie co-auteur in Graz, Oostenrijk, zei dat de mogelijkheid om nauwkeurig aangepaste nanostructuren te ontwerpen "een groot aantal nieuwe toepassingen in 3D-plasmonica opent, vrijstaande nanosensoren en nanomechanische elementen op de lagere nanoschaal die bijna onmogelijk te fabriceren zijn met andere technieken."

Het proces maakt gebruik van een 3D-simulatie om de elektronenstraal te geleiden en complexe roosters en mazen tussen 10 nanometer en één micron groot te repliceren. Het model volgt elektronenverstrooiingspaden en het vrijkomen van secundaire elektronen om het patroon van depositie op het oppervlak van het materiaal te voorspellen en de uiteindelijke structuur van een experiment te visualiseren.

Het innovatieve aspect van dit werk, volgens Fowlkes, is de convergentie van experimenten en simulatie. De simulatie begeleidt de experimentele constructie, terwijl de voltooide experimenten, beurtelings, feedback geven over de nauwkeurigheid en sterkte van de simulatie. Ontwerpen worden ingevoerd in het simulatie- en tekenprogramma, en eventuele inconsistenties tussen de twee veroorzaakt door secundaire elektronenactiviteit kunnen vóór het experiment worden opgemerkt.

"In zijn eenvoudigste vorm, als we eenmaal het emissieprofiel kennen van die secundaire elektronen die we niet willen, we kunnen er omheen ontwerpen, ' zei Fowlkes.

Hoewel langzamer dan andere nanofabricagemethoden die beschikbaar zijn in de cleanroom bij CNMS, het FEBID-proces is het enige dat high-fidelity 3D-nanostructuren kan produceren, zei Fowlkes. Met geen manier om de nanostructuren te "zien" tijdens de constructie, onderzoekers vertrouwden voorheen op vallen en opstaan, handmatig de bouwparameters aanpassen om de gewenste vormen te produceren.

Fowlkes zei dat het team zich nu zal concentreren op het volledig zuiveren van de structuren van koolstofverontreiniging. Het zuiveringsproces, genaamd in situ zuivering, verwijdert de onzuiverheden tijdens de bouw, met behulp van water of zuurstof en een laser om de resterende koolstof uit de voorloper te bevrijden en uit de structuur te spoelen. De simulatie kan zelfs rekening houden met de spanningen van het koolstofverwijderingsproces en kan anticiperen op de transformatie in het eindproduct.

"We kunnen structuren zo ontwerpen dat het eigenlijke schrijfpatroon er vervormd uitziet, maar dat is rekening houdend met het feit dat het zal intrekken en samentrekken tijdens de zuivering en dan zal het eruit zien als de juiste structuur, ' zei Fowlkes.