Door de energie en dosis van strak gefocuste elektronenstralen te variëren, onderzoekers hebben het vermogen aangetoond om patronen op nanoschaal met hoge resolutie zowel weg te etsen als af te zetten op tweedimensionale lagen grafeenoxide. Het 3D additieve/subtractieve "beeldhouwen" kan worden gedaan zonder de chemie van de elektronenstraaldepositiekamer te veranderen, de basis vormen voor het bouwen van een nieuwe generatie structuren op nanoschaal.

Gebaseerd op technieken voor gefocusseerde elektronenbundel-geïnduceerde verwerking (FEBID), het werk kan de productie mogelijk maken van 2D/3-D complexe nanostructuren en functionele nanodevices die nuttig zijn in kwantumcommunicatie, voelen, en andere toepassingen. Voor zuurstofhoudende materialen zoals grafeenoxide, etsen kan worden gedaan zonder externe materialen te introduceren, met behulp van zuurstof uit het substraat.

"Door de energie van de elektronenstraal te timen en af ​​te stemmen, we kunnen de interactie van de straal met zuurstof in het grafeenoxide activeren om te etsen, of interactie met koolwaterstoffen op het oppervlak om koolstofafzetting te creëren, " zei Andrei Fedorov, professor en Rae S. en Frank H. Neely leerstoel in de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Met controle op atomaire schaal, we kunnen gecompliceerde patronen produceren met behulp van directe schrijf-verwijderingsprocessen. Quantumsystemen vereisen nauwkeurige controle op atomaire schaal, en dit kan een groot aantal potentiële toepassingen mogelijk maken."

De techniek werd op 7 augustus beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces . Het werk werd ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, Basis energiewetenschappen. Coauteurs waren onder meer onderzoekers van de Pusan ​​National University in Zuid-Korea.

Het creëren van structuren op nanoschaal wordt traditioneel gedaan met behulp van een meerstapsproces van fotoresistcoating en patroonvorming door foto- of elektronenstraallithografie, gevolgd door bulk droog/nat etsen of depositie. Het gebruik van dit proces beperkt het bereik van functionaliteiten en structurele topologieën die kunnen worden bereikt, verhoogt de complexiteit en de kosten, en riskeert besmetting door de meerdere chemische stappen, het creëren van barrières voor de fabricage van nieuwe soorten apparaten van gevoelige 2D-materialen.

FEBIP maakt een materiaalchemie/site-specifiek, hoge resolutie multimode atomaire schaal verwerking en biedt ongekende mogelijkheden voor "direct-write, "eenstaps oppervlaktepatroon van 2-D nanomaterialen met een in-situ beeldvormingscapaciteit. Het maakt het mogelijk om een ​​snelle multischaal/multimode "top-down en bottom-up" benadering te realiseren, variërend van een manipulatie op atomaire schaal tot een oppervlaktemodificatie op groot gebied op nano- en microschaal.

"Door de tijd en de energie van de elektronen af ​​te stemmen, u kunt materiaal verwijderen of materiaal toevoegen, "Zei Fedorov. "We hadden niet verwacht dat we bij elektronenblootstelling van grafeenoxide patronen zouden gaan etsen."

Met grafeenoxide, de elektronenstraal introduceert verstoringen op atomaire schaal in de 2-D-gerangschikte koolstofatomen en gebruikt ingebedde zuurstof als etsmiddel om koolstofatomen in precieze patronen te verwijderen zonder dat een materiaal in de reactiekamer wordt gebracht. Fedorov zei dat elk zuurstofhoudend materiaal hetzelfde effect zou kunnen hebben. "Het is alsof het grafeenoxide zijn eigen etsmiddel draagt, " zei hij. "Alles wat we nodig hebben om het te activeren is om de reactie te 'zaaien' met elektronen van de juiste energie."

Voor het toevoegen van koolstof, door de elektronenbundel voor een langere tijd op dezelfde plek gefocust te houden, wordt een overmaat aan lagere energie-elektronen gegenereerd door interacties van de bundel met het substraat om de koolwaterstofmoleculen op het oppervlak van het grafeenoxide te ontbinden. In dat geval, de elektronen interageren met de koolwaterstoffen in plaats van de grafeen- en zuurstofatomen, vrijgekomen koolstofatomen achterlatend als een 3D-afzetting.

"Afhankelijk van hoeveel elektronen je er naartoe brengt, je kunt structuren van verschillende hoogtes laten groeien, weg van de geëtste groeven of van het tweedimensionale vlak, "zei hij. "Je kunt het bijna zien als holografisch schrijven met opgewonden elektronen, substraat en geadsorbeerde moleculen gecombineerd op het juiste moment en de juiste plaats."

Het proces moet geschikt zijn voor het afzetten van materialen zoals metalen en halfgeleiders, hoewel voorlopers aan de kamer moeten worden toegevoegd voor hun creatie. De 3D-structuren, slechts nanometer hoog, kunnen dienen als afstandhouders tussen lagen grafeen of als actieve detectie-elementen of andere apparaten op de lagen.

"Als je grafeen of grafeenoxide wilt gebruiken voor kwantummechanische apparaten, je moet materiaallagen kunnen positioneren met een scheiding op de schaal van individuele koolstofatomen, " zei Fedorov. "Het proces kan ook met andere materialen worden gebruikt."

Met behulp van de techniek, hoogenergetische elektronenbundels kunnen kenmerken van slechts enkele nanometers breed produceren. Loopgraven die in oppervlakken zijn geëtst, kunnen worden gevuld met metalen door metaalatomen in te brengen die voorlopers bevatten.

Naast eenvoudige patronen, het proces kan ook worden gebruikt om complexe structuren te laten groeien. "In principe, je zou een structuur kunnen laten groeien zoals een Eiffeltoren op nanoschaal met alle ingewikkelde details, " zei Fedorov. "Het zou lang duren, maar dit is het niveau van controle dat mogelijk is met elektronenbundelschrijven."

Hoewel systemen zijn gebouwd om meerdere elektronenbundels parallel te gebruiken, Fedorov ziet ze niet worden gebruikt in toepassingen met grote volumes. Waarschijnlijker, hij zei, is laboratoriumgebruik om unieke structuren te fabriceren die nuttig zijn voor onderzoeksdoeleinden.

"We demonstreren structuren die anders niet te maken zouden zijn, " zei hij. "We willen de exploitatie van nieuwe mogelijkheden op gebieden zoals kwantumapparaten mogelijk maken. Deze techniek kan een verbeeldingskracht zijn voor interessante nieuwe fysica die op onze weg komt met grafeen en andere interessante materialen."