Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia sono i primi a sfruttare un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) per scrivere direttamente minuscoli modelli in "inchiostro" metallico " formando caratteristiche in un liquido che sono più fini della metà della larghezza di un capello umano.

Il processo automatizzato è controllato intrecciando il fascio di elettroni di uno strumento STEM attraverso una cella piena di liquido per stimolare la deposizione di metallo su un microchip di silicio. I modelli creati sono "nanoscala, " o sulla scala dimensionale di atomi o molecole.

Di solito la fabbricazione di modelli su scala nanometrica richiede litografia, che utilizza maschere per evitare che il materiale si accumuli nelle aree protette. La nuova tecnologia di scrittura diretta di ORNL è come la litografia senza maschera.

I dettagli di questa capacità unica sono pubblicati online in Nanoscala , una rivista della Royal Society of Chemistry, e i ricercatori stanno facendo domanda per un brevetto. La tecnica può fornire un nuovo modo per personalizzare i dispositivi per l'elettronica e altre applicazioni.

"Ora possiamo depositare metalli di elevata purezza in siti specifici per costruire strutture, con proprietà del materiale su misura per un'applicazione specifica, " ha affermato l'autore principale Raymond Unocic del Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), un DOE Office of Science User Facility presso ORNL. "Possiamo personalizzare architetture e chimiche. Siamo limitati solo da sistemi che sono solubili nel liquido e possono subire reazioni chimiche".

Gli sperimentatori hanno utilizzato immagini in scala di grigi per creare modelli in nanoscala. Quindi trasmettevano elettroni in una cella riempita con una soluzione contenente cloruro di palladio. Il palladio puro si separava e si depositava ovunque passasse il fascio di elettroni.

Gli ambienti liquidi sono un must per la chimica. I ricercatori avevano prima bisogno di un modo per incapsulare il liquido in modo che l'estrema secchezza del vuoto all'interno del microscopio non facesse evaporare il liquido. I ricercatori hanno iniziato con una cella fatta di microchip con una membrana di nitruro di silicio che fungeva da finestra attraverso la quale poteva passare il fascio di elettroni.

Quindi avevano bisogno di ottenere una nuova capacità da uno strumento STEM. "Una cosa è utilizzare un microscopio per l'imaging e la spettroscopia. Un'altra è prendere il controllo di quel microscopio per eseguire reazioni chimiche su nanoscala controllate e specifiche del sito, " Disse Unocic. "Con altre tecniche per la litografia a fascio di elettroni, ci sono modi per interfacciare quel microscopio dove puoi controllare il raggio. Ma questo non è il modo in cui vengono impostati i microscopi elettronici a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione".

Entra Stephen Jesse, leader del tema Directed Nanoscale Transformations di CNMS. Questo gruppo esamina gli strumenti che gli scienziati usano per vedere e comprendere la materia e le sue proprietà su nanoscala sotto una nuova luce, ed esplora se questi strumenti possono anche trasformare la materia un atomo alla volta e costruire strutture con funzioni specifiche. "Pensa a quello che stiamo facendo lavorando in laboratori su nanoscala, " disse Jesse. "Questo significa essere in grado di indurre e fermare reazioni a piacimento, oltre a monitorarli mentre accadono."

Jesse aveva recentemente sviluppato un sistema che funge da interfaccia tra un modello di nanolitografia e le bobine di scansione di uno STEM, e i ricercatori dell'ORNL lo avevano già utilizzato per trasformare selettivamente i solidi. Il microscopio focalizza il fascio di elettroni in un punto fine, che i microscopisti potevano muovere semplicemente prendendo il controllo delle bobine di scansione. Unocic con Andrea Lupini, Albina Borisevich e Sergei Kalinin hanno integrato il sistema di controllo della scansione/nanolitografia di Jesse all'interno del microscopio in modo da poter controllare il raggio che entra nella cella liquida. David Cullen eseguì le successive analisi chimiche.

"Questa nanolitografia indotta da raggio si basa in modo critico sul controllo delle reazioni chimiche in volumi su scala nanometrica con un raggio di elettroni energetici, " disse Jesse. Il sistema controlla la posizione del raggio di elettroni, velocità e dose. La dose - quanti elettroni vengono pompati nel sistema - regola la velocità con cui le sostanze chimiche vengono trasformate.

Questa tecnologia su nanoscala è simile ad attività su larga scala, come l'utilizzo di fasci di elettroni per trasformare i materiali per la stampa 3D presso la Manufacturing Demonstration Facility di ORNL. In quel caso, un fascio di elettroni fonde la polvere in modo che si solidifichi, strato per strato, per creare un oggetto.

"Stiamo essenzialmente facendo la stessa cosa, ma dentro un liquido, " Ha detto Unocic. "Ora possiamo creare strutture da una soluzione precursore in fase liquida nella forma che vogliamo e nella chimica che vogliamo, messa a punto delle proprietà fisico-chimiche per una data applicazione."

Il controllo preciso della posizione del fascio e della dose di elettroni produce architetture su misura. L'incapsulamento di diversi liquidi e il loro flusso sequenziale durante la modellazione personalizza anche la chimica.

L'attuale risoluzione dei "pixel" metallici che l'inchiostro liquido può scrivere direttamente è di 40 nanometri, o due volte la larghezza di un virus dell'influenza. Nel lavoro futuro, Unocic e colleghi vorrebbero spingere la risoluzione verso il basso per avvicinarsi allo stato dell'arte della nanolitografia convenzionale, 10 nanometri. Vorrebbero anche fabbricare strutture multicomponente.

Il titolo dell'articolo è "Trasformazioni in fase liquida a scrittura diretta con un microscopio elettronico a trasmissione a scansione".