Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy zijn de eersten die een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) gebruiken om rechtstreeks kleine patronen in metallische "inkt, "vormende kenmerken in vloeistof die fijner zijn dan de helft van de breedte van een mensenhaar.

Het geautomatiseerde proces wordt bestuurd door de elektronenstraal van een STEM-instrument door een met vloeistof gevulde cel te weven om de afzetting van metaal op een siliciummicrochip te stimuleren. De gemaakte patronen zijn "nanoschaal, " of op de schaal van atomen of moleculen.

Gewoonlijk vereist de fabricage van patronen op nanoschaal lithografie, die maskers gebruikt om te voorkomen dat materiaal zich ophoopt op beschermde gebieden. ORNL's nieuwe direct-write-technologie is als lithografie zonder masker.

Details van deze unieke mogelijkheid worden online gepubliceerd in nanoschaal , een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry, en onderzoekers vragen patent aan. De techniek kan een nieuwe manier bieden om apparaten aan te passen voor elektronica en andere toepassingen.

"We kunnen nu zeer zuivere metalen op specifieke locaties deponeren om constructies te bouwen, met op maat gemaakte materiaaleigenschappen voor een specifieke toepassing, " zei hoofdauteur Raymond Unocic van het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. "We kunnen architecturen en chemie aanpassen. We worden alleen beperkt door systemen die oplosbaar zijn in de vloeistof en chemische reacties kunnen ondergaan."

De onderzoekers gebruikten grijswaardenafbeeldingen om sjablonen op nanoschaal te maken. Daarna straalden ze elektronen in een cel gevuld met een oplossing die palladiumchloride bevatte. Puur palladium scheidde zich af en sloeg overal neer waar de elektronenstraal passeerde.

Vloeibare omgevingen zijn een must voor chemie. Onderzoekers hadden eerst een manier nodig om de vloeistof in te kapselen, zodat de extreme droogte van het vacuüm in de microscoop de vloeistof niet zou verdampen. De onderzoekers begonnen met een cel van microchips met een siliciumnitridemembraan om als venster te dienen waar de elektronenbundel doorheen kon.

Vervolgens moesten ze een nieuwe vaardigheid uit een STEM-instrument halen. "Het is één ding om een ​​microscoop te gebruiken voor beeldvorming en spectroscopie. Het is iets anders om de controle over die microscoop over te nemen om gecontroleerde en plaatsspecifieke chemische reacties op nanoschaal uit te voeren, Unocic zei. "Met andere technieken voor elektronenstraallithografie, er zijn manieren om die microscoop te koppelen waar je de straal kunt regelen. Maar dit is niet de manier waarop aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopen worden opgesteld."

Voer Stephen Jesse in, leider van het thema Directed Nanoscale Transformations van CNMS. Deze groep kijkt naar hulpmiddelen die wetenschappers gebruiken om materie en zijn eigenschappen op nanoschaal in een nieuw licht te zien en te begrijpen, en onderzoekt of die gereedschappen ook materie één atoom tegelijk kunnen transformeren en structuren met gespecificeerde functies kunnen bouwen. "Denk aan wat we doen als werken in laboratoria op nanoschaal, "Zei Jesse. "Dit betekent dat je naar believen reacties kunt opwekken en stoppen, evenals toezicht houden terwijl ze gebeuren."

Jesse had onlangs een systeem ontwikkeld dat dient als een interface tussen een nanolithografiepatroon en de scanspoelen van een STEM, en ORNL-onderzoekers hadden het al gebruikt om vaste stoffen selectief te transformeren. De microscoop focust de elektronenstraal tot een fijn punt, die microscopistes konden bewegen door de controle over de scanspoelen te nemen. Unocic met Andrew Lupini, Albina Borisevich en Sergei Kalinin integreerden Jesse's scancontrole/nanolithografiesysteem in de microscoop, zodat ze de straal die de vloeistofcel binnenkwam, konden controleren. David Cullen voerde de daaropvolgende chemische analyse uit.

"Deze bundel-geïnduceerde nanolithografie is kritisch afhankelijk van het beheersen van chemische reacties in nanoschaalvolumes met een bundel van energetische elektronen, "zei Jesse. Het systeem regelt de positie van de elektronenstraal, snelheid en dosis. De dosis - hoeveel elektronen er in het systeem worden gepompt - bepaalt hoe snel chemicaliën worden omgezet.

Deze technologie op nanoschaal is vergelijkbaar met activiteiten op grotere schaal, zoals het gebruik van elektronenstralen om materialen te transformeren voor 3D-printen in ORNL's Manufacturing Demonstration Facility. In dat geval, een elektronenstraal smelt poeder zodat het stolt, laag voor laag, om een ​​object te maken.

"We doen in wezen hetzelfde, maar in een vloeistof, Unocic zei. "Nu kunnen we structuren maken van een vloeistof-fase-precursoroplossing in de vorm die we willen en de chemie die we willen, afstemmen van de fysisch-chemische eigenschappen voor een bepaalde toepassing."

Nauwkeurige controle van de bundelpositie en de elektronendosis produceert op maat gemaakte architecturen. Door verschillende vloeistoffen in te kapselen en ze achtereenvolgens te laten stromen tijdens het patroon, wordt de chemie ook aangepast.

De huidige resolutie van metalen "pixels" die de vloeibare inkt direct kan schrijven is 40 nanometer, of tweemaal de breedte van een griepvirus. Bij toekomstig werk, Unocic en collega's willen de resolutie naar beneden duwen om de stand van de techniek van conventionele nanolithografie te benaderen, 10 nanometer. Ze willen ook constructies met meerdere componenten fabriceren.

De titel van het artikel is "Direct-write vloeistoffasetransformaties met een scanning transmissie-elektronenmicroscoop."