Zoals zandstralen op nanometerschaal, gerichte ionenbundels ablateren harde materialen om ingewikkelde driedimensionale patronen te vormen. De balken kunnen minuscule kenmerken creëren in de laterale afmetingen - lengte en breedte, maar om de volgende generatie apparaten op nanometerschaal te creëren, de energetische ionen moeten de kenmerken in de verticale dimensie - diepte - nauwkeurig regelen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben aangetoond dat een standaard ion-beam-techniek kan worden verfijnd om structuren te maken met diepten die worden gecontroleerd tot binnen de diameter van een enkel siliciumatoom.

Profiteren van die nieuw aangetoonde precisie, het NIST-team gebruikte deze standaard bewerkingstechniek om apparaten te fabriceren die nauwkeurige meting van de grootte van nanodeeltjes in een vloeistof mogelijk maken. De nanofluïdische apparaten, die het potentieel hebben voor massaproductie, zou een nieuwe laboratoriumstandaard kunnen worden voor het bepalen van de grootte van nanodeeltjes. Dergelijke metingen zouden de kwaliteitscontrole in industriële toepassingen van nanodeeltjes kunnen versnellen.

"We hebben getest en geavanceerd wat mogelijk is om te maken en te meten onder een nanometer, " zei NIST-onderzoeker Samuel Stavis. Hij en zijn collega's van NIST en het Maryland NanoCenter aan de Universiteit van Maryland in College Park rapporteerden hun bevindingen in een recent nummer van Lab op een chip .

Hoewel ingenieurs jarenlang ionenbundels gebruiken om defecten in geïntegreerde schakelingen te repareren en kleine onderdelen in optische en mechanische systemen te bewerken, die toepassingen vereisten niet de dieptecontrole die het team nu heeft gerapporteerd.

Om het volledige potentieel van het proces te realiseren, het team onderzocht verschillende manieren om een ​​gerichte bundel galliumionen te gebruiken om de oppervlakken van silicium te frezen, siliciumnitride en siliciumdioxide - materialen die gebruikelijk zijn voor de fabricage van apparaten op nanoschaal die worden gebruikt in elektronica, optica en mechanica. De onderzoekers gebruikten een atoomkrachtmicroscoop, die is voorzien van een gevoelige sonde om de diepte van de topografie te meten die door de ionenstraal wordt gevormd. Zorgvuldige metingen waren belangrijk om de grenzen van de ionenstraaltechniek te testen. Dankzij de faciliteiten van NIST kon het team beide taken uitvoeren:precisiefabricage en precisiemeting.

Het team paste de nieuwe mogelijkheid toe om de meting van de grootte van nanodeeltjes te verbeteren. Met behulp van een galliumionenstraal, de onderzoekers bewerkten trappatronen in siliciumdioxide en sloten ze vervolgens in om de vloeistofstroom op nanoschaal te regelen. Op sommige apparaten, de onderzoekers machinaal een trap met een stapgrootte van 1,1 nanometer; ze bewerkten anderen met een stapgrootte van 0,6 nanometer - slechts een paar atomen diep.

De stappen van het trappatroon scheidden nanodeeltjes die in water waren ondergedompeld nauwkeurig op basis van hun grootte. Nanodeeltjes stroomden naar de diepste trede onderaan de trap, maar alleen de kleinere konden opstijgen naar de ondiepste trede bovenaan; grotere nanodeeltjes konden er niet doorheen passen en bleven vastzitten in de onderste reeks trappen. Fluorescerende kleurstof in de nanodeeltjes stelde het team in staat om hun locatie vast te leggen met een optische microscoop en die locatie af te stemmen op de bekende diepte van de trap.

Door de nanodeeltjesgroottes die door deze methode worden aangegeven te vergelijken met de groottes gemeten met behulp van elektronenmicroscopie, bleek een overeenkomst die tot op één nanometer nauwkeurig was. Deze goede overeenstemming van de verschillende metingen suggereert dat de apparaten niet alleen als deeltjesscheider kunnen dienen, maar ook als referentiemateriaal voor het meten van de grootte van nanodeeltjes.

Fabrikanten die routinematig kwaliteitscontroles uitvoeren op nanodeeltjes, waarbij ze niet alleen hun gemiddelde grootte bepalen, maar hoeveel van de nanodeeltjes van batch tot batch iets kleiner of groter zijn dan gemiddeld, zou baat kunnen hebben bij de nieuwe techniek. De nieuw vervaardigde apparaten, in combinatie met een goedkope optische microscoop om de locaties van nanodeeltjes te lokaliseren, een potentieel snellere en economischere route bieden dan andere meettechnieken, merkte Stavis op. Het team onderzoekt nu hoe de apparaten kunnen dienen als master-mallen voor de massaproductie van goedkope replica's.

Omdat de nanodeeltjes zijn gemeten met een optische microscoop, het NIST-team zou ook de relatie tussen de grootte van nanodeeltjes en een andere belangrijke eigenschap kunnen onderzoeken:hun helderheid. Het verduidelijken van die relatie is belangrijk voor het begrijpen van de eigenschappen van nanodeeltjes als kwantumdots voor kleurendisplays, gouden nanodeeltjes voor biomedische sensoren, en andere nanodeeltjes voor medicijnafgifte.

Het team heeft hun proces gedetailleerd, zodat onderzoekers van NIST gemakkelijk kunnen profiteren van het proces en het kunnen aanpassen voor hun eigen werk. Verschillende klanten van NIST's gebruikersfaciliteit voor nanotechnologie, het Centrum voor Wetenschap en Technologie op nanoschaal, waar het werk is verricht, hebben interesse getoond in het aanpassen van de technologie voor het meten van zowel de grootte als de helderheid van nanodeeltjes in deze consumentenproducten.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.