I ricercatori di microscopia elettronica dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un modo unico per costruire strutture 3D con forme finemente controllate da uno a due miliardesimi di metro.

Lo studio ORNL pubblicato sulla rivista Piccolo dimostra come i microscopi elettronici a trasmissione a scansione, normalmente utilizzati come strumenti di imaging, sono anche in grado di scolpire con precisione elementi 3D di dimensioni nanometriche in materiali di ossido complessi.

Offrendo la precisione del singolo piano atomico, la tecnica potrebbe trovare impiego nella fabbricazione di strutture per dispositivi funzionali su nanoscala come i microchip. Le strutture crescono epitassialmente, o in perfetto allineamento cristallino, che assicura che le stesse proprietà elettriche e meccaniche si estendano a tutto il materiale.

"Possiamo realizzare cose più piccole con forme più precise, " ha detto Albina Borisevich di ORNL, che ha condotto lo studio. "Il processo è anche epitassiale, il che ci dà un controllo molto più pronunciato sulle proprietà di quanto potremmo ottenere con altri approcci".

Gli scienziati dell'ORNL si sono imbattuti nel metodo mentre stavano esaminando un film sottile di titanato di stronzio preparato in modo imperfetto. Il campione, costituito da un substrato cristallino ricoperto da uno strato amorfo dello stesso materiale, trasformata al passaggio del fascio di elettroni. Un team dell'Istituto per l'imaging funzionale dei materiali dell'ORNL, che unisce scienziati di diverse discipline, hanno lavorato insieme per comprendere e sfruttare la scoperta.

"Quando abbiamo esposto lo strato amorfo a un fascio di elettroni, sembravamo spingerlo ad adottare il suo stato cristallino preferito, " ha detto Borisevich. "Lo fa esattamente dove si trova il fascio di elettroni".

L'uso di un microscopio elettronico a trasmissione a scansione, che fa passare un fascio di elettroni attraverso un materiale sfuso, distingue l'approccio dalle tecniche di litografia che modellano o manipolano solo la superficie di un materiale.

"Stiamo usando il controllo preciso del raggio per costruire qualcosa all'interno del solido stesso, " ha detto Stephen Jesse di ORNL. "Stiamo facendo trasformazioni che sono sepolte in profondità all'interno della struttura. Sarebbe come scavare un tunnel all'interno di una montagna per costruire una casa".

La tecnica offre una scorciatoia ai ricercatori interessati a studiare come le caratteristiche dei materiali cambiano con lo spessore. Invece di eseguire l'imaging di più campioni di larghezza variabile, gli scienziati potrebbero utilizzare il metodo della microscopia per aggiungere strati al campione e osservare contemporaneamente cosa succede.

"L'intera premessa della nanoscienza è che a volte quando si rimpicciolisce un materiale, questo mostra proprietà molto diverse dal materiale sfuso, " ha detto Borisevich. "Qui possiamo controllarlo. Se sappiamo che c'è una certa dipendenza dalle dimensioni, possiamo determinare esattamente dove vogliamo essere su quella curva e andare lì".

I calcoli teorici sul supercomputer Titan dell'ORNL hanno aiutato i ricercatori a comprendere i meccanismi alla base del processo. Le simulazioni hanno mostrato che il comportamento osservato, noto come un processo a catena, è coerente con il fascio di elettroni che trasferisce energia ai singoli atomi nel materiale piuttosto che riscaldare un'area del materiale.

"Con il fascio di elettroni, stiamo iniettando energia nel sistema e spingendo dove andrebbe altrimenti da solo, dato abbastanza tempo, " ha detto Borisevich. "Termodinamicamente vuole essere cristallino, ma questo processo richiede molto tempo a temperatura ambiente."

Lo studio è pubblicato come "Scultura a livello atomico di ossidi cristallini:verso la nanofabbricazione in massa con precisione su un singolo piano atomico".