De mogelijkheid om materialen op steeds kleinere formaten te modelleren - met behulp van elektronenstraallithografie (EBL), waarin een elektronengevoelig materiaal wordt blootgesteld aan een gefocusseerde bundel elektronen, als een primaire methode - stimuleert de vooruitgang in nanotechnologie. Wanneer de kenmerkgrootte van materialen wordt verkleind van de macroschaal naar de nanoschaal, individuele atomen en moleculen kunnen worden gemanipuleerd om materiaaleigenschappen drastisch te veranderen, zoals kleur, chemische reactiviteit, elektrische geleiding, en lichte interacties.

In de voortdurende zoektocht naar patronen van materialen met steeds kleinere kenmerkende maten, wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - hebben onlangs een nieuw record gevestigd. EBL uitvoeren met een scanning transmissie elektronenmicroscoop (STEM), ze hebben een patroon van dunne films van het polymeer poly (methylmethacrylaat), of PMMA, met individuele kenmerken zo klein als één nanometer (nm), en met een afstand tussen kenmerken van 11 nm, wat een oppervlaktedichtheid van bijna een biljoen kenmerken per vierkante centimeter oplevert. Deze recordprestaties zijn gepubliceerd in de online editie van 18 april van Nano-letters .

"Ons doel bij CFN is om te bestuderen hoe de optische, elektrisch, thermisch, en andere eigenschappen van materialen veranderen naarmate hun kenmerken kleiner worden, " zei hoofdauteur Vitor Manfrinato, een onderzoeksmedewerker in de elektronenmicroscopiegroep van CFN die het project begon als een CFN-gebruiker terwijl hij zijn doctoraatswerk aan het MIT afrondde. "Tot nu, Het is niet mogelijk geweest om materialen op een enkele nanometer op een beheersbare en efficiënte manier te modelleren."

Commerciële EBL-instrumenten patroonmaterialen typisch met afmetingen tussen 10 en 20 nanometer. Technieken die patronen met een hogere resolutie kunnen produceren, vereisen speciale omstandigheden die ofwel hun praktische bruikbaarheid beperken of het patroonvormingsproces dramatisch vertragen. Hier, de wetenschappers hebben de resolutielimieten van EBL verlegd door een patroongenerator te installeren - een elektronisch systeem dat de elektronenstraal nauwkeurig over een monster beweegt om patronen te tekenen die zijn ontworpen met computersoftware - in een van CFN's aberratie-gecorrigeerde STEM's, een gespecialiseerde microscoop die een gefocusseerde elektronenstraal op atomaire schaal levert.

"We hebben een afbeeldingstool omgezet in een tekentool die niet alleen in staat is om afbeeldingen met atomaire resolutie te maken, maar ook om structuren met atomaire resolutie te maken, " zei co-auteur Aaron Stein, een senior wetenschapper in de groep elektronische nanomaterialen bij CFN.

Hun metingen met dit instrument laten een afname van bijna 200 procent zien in de grootte van het kenmerk (van 5 naar 1,7 nm) en een toename van 100 procent in gebiedspatroondichtheid (van 0,4 naar 0,8 biljoen punten per vierkante centimeter, of een afstand van 16 tot 11 nm tussen kenmerken) vergeleken met eerdere wetenschappelijke rapporten.

De PMMA-films met patronen van het team kunnen worden gebruikt als stencils voor het overbrengen van de getekende eencijferige nanometerfunctie naar elk ander materiaal. In dit werk, de wetenschappers creëerden structuren kleiner dan 5 nm in zowel metalen (gouden palladium) als halfgeleidende (zinkoxide) materialen. Hun gefabriceerde gouden palladiumkenmerken waren zo klein als zes atomen breed.

Ondanks deze recorddemonstratie, het team blijft geïnteresseerd in het begrijpen van de factoren die resolutie nog steeds beperken, en uiteindelijk EBL tot zijn fundamentele limiet duwen.

"De resolutie van EBL kan worden beïnvloed door vele parameters, inclusief instrumentbeperkingen, interacties tussen de elektronenstraal en het polymeermateriaal, moleculaire afmetingen geassocieerd met de polymeerstructuur, en chemische processen van lithografie, " legde Manfrinato uit.

Een opwindend resultaat van deze studie was het besef dat polymeerfilms kunnen worden gepatroneerd met afmetingen die veel kleiner zijn dan de effectieve straal van 26 nm van het PMMA-macromolecuul. "De polymeerketens waaruit een PMMA-macromolecuul bestaat, zijn een miljoen herhalende monomeren (moleculen) lang - in een film, deze macromoleculen zijn allemaal verstrengeld en opgerold, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Volgende, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."