Gefocusseerde elektronenstralen kunnen tegelijkertijd optisch actieve nanokristallen synthetiseren en deze in ingewikkelde oppervlaktearrays vormen

Een A*STAR-team heeft zinksulfide (ZnS) kwantumstippen geassembleerd tot nanoschaalrasters en arrays van lensachtige schijven door elektronenstraallithografie uit te voeren op een multifunctionele dunne film. De fotoluminescente eigenschappen van deze patronen kunnen ze bruikbare componenten maken in toepassingen zoals biosensoren en zonnecellen.

Hoewel individuele ZnS-nanodeeltjes intrigerende optische eigenschappen hebben, vanwege de effecten van kwantumkoppeling, hun lichtgevende capaciteiten worden krachtiger wanneer ze in geordende assemblages worden geplaatst. In plaats van conventionele bottom-up benaderingen die natte chemicaliën gebruiken om nanodeeltjes-ensembles op siliciumchips te genereren, veel onderzoekers benaderen dit probleem nu van bovenaf, met behulp van lithografie op nanoschaal om ongewenst materiaal te verwijderen en kwantumdots rechtstreeks op oppervlakken te schrijven.

Het snijden van vormen in halfgeleideroppervlakken kleiner dan 10 nanometer is een bijzondere expertise van M.S.M. Saifullah van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, en collega's. Ze richten krachtige elektronenstralen op speciale dunne films die 'resists' worden genoemd. Gebieden van de resist die worden blootgesteld aan de gefocusseerde bundels ondergaan chemische veranderingen waardoor kleine details op hun plaats blijven terwijl de omringende film wordt weggespoeld door oplosmiddelen.

In de meeste elektronenstraallithografietechnieken, de van een patroon voorziene resist wordt overgebracht naar een ander substraat en een chemische etsstap genereert de uiteindelijke vormen op nanoschaal. Saifullah en het team, echter, een andere strategie hadden. "We hebben een resist ontwikkeld die kan ontbinden en een metaalsulfide kan vormen direct onder de elektronenstraal, " merkt hij op. "Dit was een uitdaging omdat de meeste resists dergelijke functionaliteiten niet hebben."

Het team vond een verbinding genaamd zinkbutylxanthaat die aan hun behoeften kon voldoen. In dit molecuul zink- en zwavelatomen zijn verbonden met organische groepen met een lange keten die mogelijk kunnen worden losgemaakt met behulp van de energie van een elektronenstraal. Experimenten met de nieuwe resist bewezen de efficiëntie van dit conversieproces:door de blootstelling aan de elektronenbundel geleidelijk te verhogen, de startfilm werd omgezet in ZnS-nanokristallen met een conversieratio van bijna 100 procent

De door A*STAR geleide onderzoekers maakten gebruik van de eigenschappen van de zinkbutylxanthaatresist om lijnen van ZnS-nanokristallen te produceren met een diameter van slechts 6 nanometer. Vervolgens, na het karakteriseren van de structuren met elektronenmicroscopie, ze deden nog een toevallige ontdekking:de nanopatronen straalden helder fotoluminescerend licht uit bij blootstelling aan ultraviolette straling. Defecte toestanden op de nanokristaloppervlakken werden aangewezen als de oorzaak van het nieuwe optische gedrag.

"Het leuke van fotoluminescente ZnS-nanokristallen is dat ze in vrijwel elke vorm kunnen worden gerangschikt, " zegt Saifullah. "In de toekomst, we willen deze nanostructuren graag combineren met plasmonics."