EPFL-onderzoekers hebben een zeer nauwkeurige technologie ontwikkeld waarmee ze nanometrische patronen in tweedimensionale materialen kunnen snijden.

Met hun baanbrekende nanotechnologie, EPFL-onderzoekers hebben het onmogelijke bereikt. Ze kunnen nu warmte gebruiken om de verbindingen tussen atomen te verbreken met een miniatuur scalpel. "Het is extreem moeilijk om 2D-materialen te structureren met conventionele lithografie, die vaak agressieve chemicaliën gebruikt of versnelde, elektrisch geladen deeltjes, zoals elektronen of ionen, die de eigenschappen van het materiaal kunnen aantasten, " zegt Xia Liu, een onderzoeker en postdoc in het Microsystems Laboratory van de School of Engineering. "Onze techniek, echter, gebruikt een plaatselijke warmte- en drukbron om nauwkeurig in de 2D-materialen te snijden."

"Onze technologie is vergelijkbaar met de kunst van het papiersnijden, wat gebruikelijk is in deze regio van Zwitserland, maar op veel kleinere schaal " legt Ana Conde Rubio uit, co-auteur van de studie. "We gebruiken warmte om het substraat te modificeren en flexibeler te maken en, in sommige gevallen, verander het zelfs in een gas. We kunnen dan gemakkelijker in het 2D-materiaal snijden."

Een scherpe tip

Xia Liu, Samuël Howell, Ana Conde Rubio, Giovanni Boero en Jürgen Brugger gebruikten molybdeen ditelluride (MoTe ₂ ), een 2D-materiaal dat lijkt op grafeen. Het is minder dan een nanometer - of drie lagen atomen - dik. De MoTe ₂ wordt geplaatst op een polymeer dat reageert op temperatuurveranderingen. "Als het polymeer wordt blootgesteld aan hitte, het sublimeert, wat betekent dat het van een vaste naar een gasvormige toestand gaat, " legt Liu uit.

De onderzoekers van het Institute of Microengineering gebruikten een nieuwe structureringstechniek op nanoschaal genaamd thermal scanning probe lithography (t-SPL), die op dezelfde manier werkt als een atoomkrachtmicroscoop. Ze verhitten een scherpe punt van nanoformaat tot meer dan 180°C, breng het in contact met het 2D-materiaal en oefen een beetje kracht uit. Hierdoor gaat het polymeer sublimeren. Er breekt dan een dun laagje MoTe2 af zonder de rest van het materiaal te beschadigen.

Kleine en efficiëntere componenten

Met deze technologie kunnen de onderzoekers uiterst nauwkeurige patronen in 2D-materialen maken. "We gebruiken een computergestuurd systeem om het ultrasnelle verwarmings- en koelproces en de positie van de punt te regelen, " legt Samuel Howell uit, een andere co-auteur. "Dit stelt ons in staat om vooraf gedefinieerde inspringingen te maken, bijvoorbeeld, de nanolinten die worden gebruikt in nano-elektronische apparaten."

Maar wat is er zo handig aan werken op zo'n kleine schaal? "Veel 2D-materialen zijn halfgeleiders en kunnen worden geïntegreerd in elektronische apparaten, ", zegt Liu. "Deze generieke technologie zal zeer nuttig zijn in nano-elektronica, nanofotonica en nanobiotechnologie, omdat het zal helpen om elektronische componenten kleiner en efficiënter te maken."

Verbetering van de nauwkeurigheid

De volgende fase van het onderzoek zal zich richten op het kijken naar een breder scala aan materialen en het vinden van combinaties die zullen werken in geïntegreerde nanosystemen. Toekomstige activiteiten zullen ook het ontwerp van de cantilever en nanotip opnieuw bekijken voor verbeterde nano-snijprestaties.

Breder, de wetenschappers van het Microsystems Laboratory willen een nieuwe generatie fabricagetechnieken voor flexibele microsystemen ontwikkelen. "Op polymeren gebaseerde micro-elektromechanische systemen (MEMS) hebben veel potentiële elektronische en biomedische toepassingen, " legt prof. Jürgen Brugger uit. "Maar we bevinden ons nog in de beginfase van de ontwikkeling van technieken voor het ontwerpen van functionele polymeren in 3D-microsystemen." Brugger hoopt de grenzen te verleggen en nieuwe materialen en processen voor MEMS te vinden door zich te concentreren op het stencil , het drukproces, de gerichte zelfassemblage van nanomaterialen, en gelokaliseerde thermische verwerking.