Автоматизированный процесс управляется путем пропускания электронного луча STEM-прибора через заполненную жидкостью ячейку для ускорения осаждения металла на кремниевый микрочип. Создаваемые узоры являются «наноразмерными» или имеют размерную шкалу атомов или молекул.
Обычно для изготовления наноразмерных узоров требуется литография, в которой используются маски для предотвращения скопления материала на защищенных участках. Новая технология прямой записи ORNL похожа на литографию без маски.
Подробная информация об этой уникальной способности опубликована в Интернете в Nanoscale, журнале Королевского химического общества, и исследователи подают заявку на патент. Этот метод может предоставить новый способ адаптации устройств для электроники и других приложений.
«Теперь мы можем размещать высокочистые металлы на определенных участках для создания структур с индивидуальными свойствами материалов для конкретного применения», — сказал ведущий автор Раймонд Уносич из Центра науки о нанофазных материалах (CNMS). ORNL. "Мы можем настроить архитектуру и химию.
Мы ограничены только системами, которые растворяются в жидкости и могут подвергаться химическим реакциям."
Экспериментаторы использовали полутоновые изображения для создания наноразмерных шаблонов. Затем они направили электроны в ячейку, заполненную раствором, содержащим хлорид палладия.
Чистый палладий отделяется и осаждается везде, где проходит электронный луч.
Жидкие среды необходимы для химии.
Исследователям сначала нужен был способ инкапсулировать жидкость, чтобы чрезмерная сухость вакуума внутри микроскопа не испаряла жидкость. Исследователи начали с ячейки из микрочипов с мембраной из нитрида кремния, служившей окном, через которое мог проходить электронный луч.
Затем им нужно было выявить новые возможности у инструмента STEM. "Одно дело — использовать микроскоп для визуализации и спектроскопии. Другое дело — взять под контроль микроскоп для проведения контролируемых и специфичных для сайта наноразмерных химических реакций », — сказал Юночик. "С другими методами электронно-лучевой литографии есть способы связать микроскоп, где вы можете управлять лучом.
Но не так устанавливают сканирующие просвечивающие электронные микроскопы с коррекцией аберраций."
Введите Стивен Джесси, руководитель темы "Направленные наномасштабные преобразования" CNMS. Эта группа рассматривает инструменты, которые ученые используют, чтобы увидеть и понять материю и ее наноразмерные свойства в новом свете, и исследует, могут ли эти инструменты также преобразовывать материю по одному атому за раз и строить структуры с заданными функциями. «Думайте о том, что мы делаем, как о работе в наноразмерных лабораториях», — сказал Джесси. "Это означает возможность вызывать и останавливать реакции по желанию, а также контролировать их, пока они происходят."
Джесси недавно разработал систему, которая служит интерфейсом между шаблоном нанолитографии и катушками сканирования STEM, и исследователи ORNL уже использовали ее для выборочного преобразования твердых тел.
Микроскоп фокусирует электронный луч в тонкую точку, которую микроскописты могут перемещать, просто взяв под контроль сканирующие катушки. Unocic с Эндрю Лупини, Альбиной Борисевич и Сергеем Калининым интегрировали систему управления сканированием / нанолитографией Джесси в микроскоп, чтобы они могли контролировать луч, входящий в жидкую ячейку. Дэвид Каллен провел последующий химический анализ.
«Эта нанолитография, индуцированная пучком, в значительной степени зависит от управления химическими реакциями в наноразмерных объемах с помощью пучка энергичных электронов», — сказал Джесси.
Система контролирует положение, скорость и дозу электронного луча. Доза — сколько электронов закачивается в систему — определяет, насколько быстро химические вещества преобразуются.
Эта наноразмерная технология аналогична более крупномасштабным мероприятиям, таким как использование электронных лучей для преобразования материалов для 3D-печати в производственной демонстрационной лаборатории ORNL. В этом случае электронный луч плавит порошок так, что он затвердевает слой за слоем, создавая объект.
«По сути, мы делаем то же самое, но в жидкости», — сказал Юноич. «Теперь мы можем создавать структуры из жидкофазного раствора-предшественника в желаемой форме и с желаемым химическим составом, настраивая физико-химические свойства для конкретного применения."
Точный контроль положения луча и дозы электронов позволяет создавать индивидуальные архитектуры. Инкапсулирование различных жидкостей и последовательное их пропускание во время формирования рисунка также настраивает химию.
Текущее разрешение металлических «пикселей», которые жидкие чернила могут писать напрямую, составляет 40 нанометров, что в два раза превышает ширину вируса гриппа.
В будущей работе Unocic и его коллеги хотели бы снизить разрешение, чтобы приблизиться к уровню искусства традиционной нанолитографии, 10 нанометров. Также они хотели бы изготавливать многокомпонентные конструкции.
Название статьи: «Прямая запись жидкофазных превращений с помощью растрового просвечивающего электронного микроскопа."
Это исследование было проведено в Центре науки о нанофазных материалах, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики США в ORNL.
Управление науки Министерства энергетики США поддержало работу. Фонды исследований и разработок под руководством лаборатории ORNL поддержали часть работы.