Door voorlopermoleculen te activeren met behulp van een kleine, hoogenergetische supersonische straal van inert gas, onderzoekers hebben de fabricage van structuren op nanometerschaal drastisch versneld. De snelle additieve fabricagetechniek stelt hen ook in staat om structuren met hoge aspectverhoudingen te produceren. Nutsvoorzieningen, een theorie die is ontwikkeld om de techniek te beschrijven, zou kunnen leiden tot nieuwe toepassingen voor additieve nanofabricage en nieuwe materialen op nanoschaal.

Gebaseerd op gerichte elektronenstraaldepositie, de techniek maakt het mogelijk structuren te vervaardigen uit gasfase-precursoren met snelheden die in de buurt komen van wat zou kunnen worden verwacht in de vloeibare fase - en dat allemaal zonder de temperatuur van de substraten te verhogen. Dat zou kunnen leiden tot de fabricage van structuren op nanometerschaal met snelheden die ze praktisch zouden kunnen maken voor gebruik in magnetisch geheugen, antennes met hoge frekwentie, kwantumcommunicatie-apparaten, spintronica en resonatoren op atomaire schaal.

"We beheersen materie op atomaire schaal om nieuwe vormen van additieve fabricage te bewerkstelligen, " zei Andrei Fedorov, een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Deze nieuwe wetenschap zou kunnen leiden tot toepassingen voor additieve fabricage die anders onmogelijk zouden zijn. De resulterende nieuwe technologie zal nieuwe dimensies openen voor additieve fabricage op atomaire schaal."

Het werk is ontstaan ​​uit frustratie met het proberen om kleine structuren te creëren met behulp van de elektronenbundels, die slechts enkele nanometers in doorsnee kan zijn. Het onderzoek werd ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie, en werd op 28 mei gerapporteerd in het journaal Fysische chemie Chemische fysica .

"Toen we naar het laboratorium gingen om nanofabricage met gefocusseerde elektronenstralen te gebruiken, ter grootte van enkele nanometers, we konden geen structuren kweken die maar een paar nanometer waren. Ze groeiden uit tot 50 of 100 nanometer, " legde Fedorov uit. "En het duurde ook lang om de structuren te produceren, wat betekende dat, zonder verbeteringen, we zouden ze nooit op hoog volume kunnen produceren."

Fedorov en medewerkers Matthew Henry en Songkil Kim realiseerden zich dat de reacties die de structuren produceerden traag waren, en gebonden aan de thermodynamische toestand van het substraat waarop ze worden gekweekt. Ze besloten wat energie aan het proces toe te voegen om de zaken te versnellen - wel honderd keer sneller.

Het resultaat was de uitvinding van een micro-capillaire injector met een diameter van slechts enkele micrometers die kleine jets van gasvormige moleculen in de depositiekamer kon introduceren om de voorlopers voor de structuren op nanometerschaal te activeren. Mede doordat de straal een vacuümkamer binnengaat, het gas versnelt tot supersonische snelheden. Energie van de supersonische straal wekt de precursormoleculen op die aan het substraat worden geadsorbeerd.

"Door deze energetische thermische toestand kunnen de elektronen van de straal veel gemakkelijker chemische bindingen verbreken, en als een resultaat, structuren groeien veel sneller, ' zei Fedorov. 'Al deze versterking, zowel het molecuultransport als de reactiesnelheid, zijn exponentieel, wat betekent dat een kleine verandering kan leiden tot een dramatische toename van het resultaat."

Zoveel is experimenteel waargenomen, maar om te begrijpen hoe het proces te beheersen en de toepassingen ervan uit te breiden, de onderzoekers wilden een theorie creëren voor wat ze zagen. Ze gebruikten thermometrische technieken op nanoschaal om de temperatuur te meten van de geadsorbeerde atomen - ook bekend als adatoms - die aan de straal worden onderworpen, en gebruikte die informatie om de basisfysica op het werk te helpen begrijpen.

"Als we een model hebben, het wordt in wezen een ontwerptool, " Fedorov zei. "Met dit begrip en de mogelijkheden die we hebben aangetoond, we kunnen ze uitbreiden naar andere gebieden zoals gerichte zelfassemblage, epitaxiale groei en andere gebieden. Dit zou een hele reeks nieuwe mogelijkheden kunnen bieden om dit soort direct-write nanofabricage te gebruiken."

De ontwikkeling van het model en het begrip van de eerste-principes fysica erachter zou andere onderzoekers ook in staat kunnen stellen nieuwe toepassingen te vinden.

"Hiermee, je kunt bijna dezelfde groeisnelheid van de orde van grootte hebben als met voorlopers in de vloeibare fase, maar toch toegang hebben tot de rijkdom aan mogelijke voorlopers, het vermogen om legering te manipuleren, en alle ervaring die in de loop der jaren is ontwikkeld met gasfasedepositie, " Fedorov zei. "Deze technologie stelt ons in staat om dingen te doen op een schaal die vanuit praktisch oogpunt zinvol en kosteneffectief is."

Het vermogen om snel kleine, driedimensionale structuren zouden een reeks nieuwe toepassingen kunnen openen.

"Als je additieve direct-write-technieken kunt aanpassen, dit zou veel unieke mogelijkheden voor magnetisch geheugen kunnen opleveren, supergeleidende materialen, kwantum apparaten, 3D elektronische schakelingen, en nog veel meer dingen, " zei hij. "Deze structuren zijn momenteel erg moeilijk te maken met behulp van conventionele methoden."

Naast het gebruik van de jets om de afzetting van voorlopermaterialen die al op het substraat zijn, te versnellen, de onderzoekers hebben ook hybride jets gemaakt die zowel hoogenergetisch inert gas als precursorgassen bevatten, die niet alleen een dramatische versnelling van de groei van nanostructuren mogelijk maken, maar ook de materiaalsamenstelling tijdens de groei nauwkeurig regelen. Bij toekomstig werk, de onderzoekers zijn van plan deze hybride benaderingen te gebruiken om de vorming van nanostructuren met fase en topologie mogelijk te maken die niet kunnen worden bereikt door bestaande nanofabricagetechnieken.