In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Matter, Licong An, en een team van wetenschappers in materiaalkunde, industriële techniek en het nanotechnologiecentrum aan de Purdue University, VS, en Wuhan University, China, beschreven een geavanceerde laserlithografiemethode. De techniek vergemakkelijkte de vorming van elektronisch zelfbeschermende patronen van vloeibaar metaal met kenmerkende afmetingen op de submicroschaal, om een ​​van de metaaloppervlakpatronen met de hoogste resolutie tot nu toe te vormen. De unieke structuur en robuuste patronen boden elektrische functionaliteit ondanks externe schade. Dergelijke elektrische, zelfbeschermende materialen met hoge resolutie zijn geschikt voor nanotoepassingen van de volgende generatie.

Introductie van een nieuwe methode:gepulste laserlithografie (PLL)

Het gebied van elektronica met hoge dichtheid is van groot belang in de materiaaltechniek en is geschikt om patronen met hoge dichtheid te vormen voor geïntegreerde elektronica in ruwe omgevingen. Materialen en industriële wetenschappers hebben gallium indium (EGaIn) bij kamertemperatuur gebruikt om patronen met een hoge dichtheid te ontwikkelen vanwege hun verschillende eigenschappen, waaronder hoge vloeibaarheid, hoge elektrische geleidbaarheid en hoge vervormbaarheid. Onderzoeksinspanningen om patronen van vloeibaar metaal met een hoge resolutie te ontwikkelen, zijn gebaseerd op lithografiepatronen, onder een breed scala aan methoden, met een brede aantrekkingskracht in elektronische toepassingen in vloeibare metaalbatterijen, microfluïdica en apparaten voor het oogsten van energie.

In dit werk beschreef hoofdauteur en onderzoeksmedewerker Licong An, die momenteel op de afdeling materiaaltechnologie van Purdue University werkt, de methode als een "praktische en schaalbare techniek om zelfverpakte patronen van vloeibaar metaal met hoge resolutie te fabriceren." Het team is van plan om "elektrische chips praktisch te integreren voor gebruik in ruwe omgevingen." De wetenschappers introduceerden in dit werk voornamelijk de gepulste laserlithografiemethode om 3D-patronen van vloeibaar metaal te ontwikkelen met een resolutie van submicronniveau, beschermd via een mechanisch stabiele oxidepakketschaal. Licong An benadrukte het belang van deze benadering:"Voor het eerst kan de eenstapslithografiemethode rechtstreeks worden gebruikt om vloeibaar metaal te modelleren", zei hij.

Hij definieerde verder de praktische implicaties van de methode "vanwege de hoge oppervlaktespanning en vloeiende patronen, in vergelijking met traditionele lithografiepatronen. Dit is de eerste keer dat een lithografiemethode wordt gebruikt om vloeibare metalen direct te modelleren." Het hier beschreven werk is daarom "een eerste poging om geavanceerde laserlithografie te introduceren als een eenstapsproces om direct zeer efficiënte vloeibare metaalpatronen te genereren", zei hij.

De experimenten:ontwikkeling van vloeibare metalen nanodeeltjes (LMNP)

Het onderzoeksteam vatte de methode voor het ontwikkelen van patronen van vloeibaar metaal met hoge resolutie in vier stappen samen. Eerst sproeiden ze een vloeibaar metalen nanodeeltje (LMNP) op een substraat om een ​​dunne LMNP-film te vormen. Focusseerde vervolgens de gepulseerde laserstraal op het dunne filmoppervlak, waar de invallende bundel verstrooid werd vanwege de nanostructuur van het oppervlak, gevolgd door ablatie van de LMNP's en het substraat waar de piekenergie-intensiteit een ablatiedrempel bereikte. De laser-geïnduceerde schok werkte als een knijpbeweging om druk op de vloeibare metaaldeeltjes te genereren en het team gebruikte laserenergie als de belangrijkste parameter om de vorming van patronen met hoge resolutie te beheersen. Het team regelde de ultrasnelle verwarmings- en afkoelsnelheid met laser om een ​​3D-uniforme oxidelaag op het bovenoppervlak van de 3D-architectuur te genereren, met verbeterde mechanische stabiliteit, voor hoge stabiliteit bij externe schade.

Licong An benadrukte dit werk als "een van de patronen van vloeibaar metaal met de hoogste resolutie tot nu toe", en zei:"patronen van vloeibaar metaal met hoge resolutie behielden kenmerken van slechts 0,5 µm, met een lijnafstand van 0,5 µm om een ​​van de hoogste te vormen. resolutie vloeibaar metaal patronen tot nu toe op de sub-micron schaal."

De synthese van vloeibare metalen nanodeeltjes (LMNP's)

Het onderzoeksteam ontwikkelde de vloeibare metalen nanodeeltjes, volgens eerdere rapporten, door ultrasoon EGaIn-legering in ethanol te dispergeren om LMNP's te vormen via moleculaire zelfassemblage, met een gemiddelde diameter van ongeveer 200 nm. Een dunne oxidelaag wordt ook typisch snel gevormd tijdens het sonicatieproces om de metaaldeeltjes bolvormig te houden. Een et al. sproeide de zoals voorbereide LMNP's op een op silicium gebaseerd substraat om een ​​dunne film van nanodeeltjes te vormen en hield de dunne film niet-geleidend, terwijl een vezellaserbron werd gebruikt om de nanopatronen te produceren. Licong An benadrukte het mechanisme van de geavanceerde laserlithografietechniek, "de methode zou een hoge laserdruk kunnen induceren, om te werken als een knijpschok om druk op de vloeibare metaaldeeltjes te genereren." Hij vervolgde:"wanneer de samendrukking voorbij is, worden de 200 nm-deeltjes geëxtrudeerd tot een robuuste oxide-omhulling van 20 nm, die fungeert als een robuust pakket om de vloeibare metaalpatronen eronder te beschermen tegen beschadiging."

De wetenschappers bevestigden de vorming van door laser geïnduceerde periodieke vloeibare metaalpatronen via energie-dispersieve röntgenspectroscopiemethoden en elementaire mappings om de aanwezigheid van silicium, gallium en oxide aan te tonen, met vloeibaar metaal bedrukt op het onderliggende substraat. De doorbraak lasertechniek brak ook de laser optische limiet. Licong An zei:"Iedereen weet dat er een directe correlatie is tussen de resolutie van het vloeibare metaalpatroon en de grootte van het verwerkingsgereedschap, onze baanbrekende laserlithografie brak deze algemene kennis om voor het eerst patronen met een resolutie van minder dan een micron te genereren."

Hij gelooft dat "de patronen een veel hogere kalibratie zouden kunnen bereiken als een laser met een kleinere golflengte wordt gebruikt." Het team simuleerde ook de vorming van nanopatronen en benadrukte het eenstapsproces van directe afzetting van vloeibaar metaalpatroon; een ander belangrijk kenmerk van het onderzoek. Ze combineerden een reeks experimentele methoden om de gepatenteerde elementaire samenstelling van de oxidepakketschaal te karakteriseren die de vloeibare metalen nanopatronen bedekt met versterkte mechanische eigenschappen - in vergelijking met reeds bestaande conventionele methoden voor het genereren van vloeibaar-metaalpatroon.

Op deze manier ontwikkelden Licong An en collega's elektronisch zelfbeschermende patronen van vloeibaar metaal met hoge resolutie via een gepulste laserlithografie (PLL) -methode om een ​​van de patronen van vloeibaar metaal met de hoogste resolutie tot nu toe te creëren. Het team voorziet toepassingen van het nieuwe materiaal in nanoschaalpraktijken van de volgende generatie, met hoge integratiedichtheden, geschikt voor veeleisende toepassingen. Het onderzoeksteam bestond uit belangrijke samenwerkingen tussen de hoofdauteur en Research Fellow Licong An, en interdisciplinaire collega's, waaronder professor Gary J. Cheng, een Fellow van de American Association for the Advancement of Science. + Verder verkennen

Spanningsgestuurde fractals van vloeibaar metaal

© 2022 Science X Network