La capacità di modellare materiali di dimensioni sempre più piccole, utilizzando la litografia a fascio di elettroni (EBL), in cui un materiale sensibile agli elettroni è esposto a un fascio concentrato di elettroni, come metodo primario, sta guidando i progressi della nanotecnologia. Quando la dimensione caratteristica dei materiali viene ridotta dalla macroscala alla nanoscala, singoli atomi e molecole possono essere manipolati per alterare drasticamente le proprietà dei materiali, come il colore, reattività chimica, conduttività elettrica, e interazioni luminose.

Nella continua ricerca di modelli di materiali con dimensioni delle caratteristiche sempre più piccole, gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, hanno recentemente stabilito un nuovo record. Esecuzione di EBL con un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM), hanno film sottili modellati del polimero poli (metilmetacrilato), o PMMA, con caratteristiche individuali di appena un nanometro (nm), e con una spaziatura tra le caratteristiche di 11 nm, ottenendo una densità areale di quasi un trilione di feature per centimetro quadrato. Questi risultati record sono pubblicati nell'edizione online del 18 aprile di Nano lettere .

"Il nostro obiettivo al CFN è studiare come l'ottica, elettrico, termico, e altre proprietà dei materiali cambiano man mano che le loro dimensioni delle caratteristiche si riducono, " ha detto l'autore principale Vitor Manfrinato, un ricercatore associato nel gruppo di microscopia elettronica di CFN che ha iniziato il progetto come utente CFN mentre completava il suo lavoro di dottorato al MIT. "Fino ad ora, modellare materiali a un singolo nanometro non è stato possibile in modo controllabile ed efficiente".

Gli strumenti EBL commerciali in genere modellano materiali di dimensioni comprese tra 10 e 20 nanometri. Le tecniche in grado di produrre modelli a risoluzione più elevata richiedono condizioni speciali che ne limitino l'utilità pratica o rallentino drasticamente il processo di creazione di modelli. Qui, gli scienziati hanno spinto i limiti di risoluzione dell'EBL installando un generatore di pattern, un sistema elettronico che sposta con precisione il fascio di elettroni su un campione per disegnare modelli progettati con software per computer, in uno degli STEM con correzione dell'aberrazione di CFN, un microscopio specializzato che fornisce un fascio di elettroni focalizzato su scala atomica.

"Abbiamo convertito uno strumento di imaging in uno strumento di disegno in grado non solo di acquisire immagini a risoluzione atomica, ma anche di creare strutture a risoluzione atomica, " ha detto il coautore Aaron Stein, uno scienziato senior nel gruppo di nanomateriali elettronici al CFN.

Le loro misurazioni con questo strumento mostrano una riduzione di quasi il 200 percento nelle dimensioni delle caratteristiche (da 5 a 1,7 nm) e un aumento del 100 percento nella densità del modello areale (da 0,4 a 0,8 trilioni di punti per centimetro quadrato, o da 16 a 11 nm di spaziatura tra le caratteristiche) rispetto a precedenti rapporti scientifici.

Le pellicole in PMMA modellate del team possono essere utilizzate come stencil per trasferire la caratteristica del nanometro a una cifra disegnata in qualsiasi altro materiale. In questo lavoro, gli scienziati hanno creato strutture più piccole di 5 nm in materiali sia metallici (oro palladio) che semiconduttori (ossido di zinco). Le loro caratteristiche di palladio d'oro fabbricate erano piccole quanto sei atomi di larghezza.

Nonostante questa dimostrazione da record, il team rimane interessato a comprendere i fattori che ancora limitano la risoluzione, e infine spingendo EBL al suo limite fondamentale.

"La risoluzione di EBL può essere influenzata da molti parametri, comprese le limitazioni dello strumento, interazioni tra il fascio di elettroni e il materiale polimerico, dimensioni molecolari associate alla struttura polimerica, e processi chimici della litografia, " ha spiegato Manfrinato.

Un risultato entusiasmante di questo studio è stata la realizzazione che i film polimerici possono essere modellati a dimensioni molto più piccole del raggio effettivo di 26 nm della macromolecola PMMA. "Le catene polimeriche che compongono una macromolecola PMMA sono lunghe un milione di monomeri (molecole) ripetuti:in un film, queste macromolecole sono tutte impigliate e appallottolate, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Prossimo, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."