Come la sabbiatura su scala nanometrica, fasci di ioni focalizzati asportano materiali duri per formare intricati schemi tridimensionali. Le travi possono creare piccole caratteristiche nelle dimensioni laterali:lunghezza e larghezza, ma per creare la prossima generazione di dispositivi su scala nanometrica, gli ioni energetici devono controllare precisamente le caratteristiche nella dimensione verticale-profondità. Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno dimostrato che una tecnica standard a fascio ionico può essere messa a punto per creare strutture con profondità controllate entro il diametro di un singolo atomo di silicio.

Approfittando di quella precisione appena dimostrata, il team del NIST ha utilizzato questa tecnica di lavorazione standard per fabbricare dispositivi che consentono una misurazione precisa delle dimensioni delle nanoparticelle in un liquido. I dispositivi nanofluidici, che hanno il potenziale per la produzione di massa, potrebbe diventare un nuovo standard di laboratorio per determinare la dimensione delle nanoparticelle. Tali misurazioni potrebbero accelerare il controllo di qualità nelle applicazioni industriali delle nanoparticelle.

"Abbiamo testato e avanzato ciò che è possibile realizzare e misurare al di sotto di un nanometro, " ha affermato il ricercatore del NIST Samuel Stavis. Lui e i suoi colleghi del NIST e del Maryland NanoCenter presso l'Università del Maryland a College Park hanno riportato le loro scoperte in un recente numero di Laboratorio su un chip .

Sebbene gli ingegneri abbiano utilizzato per anni i fasci di ioni per riparare i difetti nei circuiti integrati e lavorare parti minuscole nei sistemi ottici e meccanici, quelle applicazioni non richiedevano il controllo di profondità che il team ha ora segnalato.

Per realizzare il pieno potenziale del processo, il team ha esplorato diversi modi di utilizzare un raggio focalizzato di ioni di gallio per fresare le superfici del silicio, nitruro di silicio e biossido di silicio:materiali comuni per la fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica utilizzati in elettronica, ottica e meccanica. I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica, che dispone di una sonda sensibile per misurare la profondità della topografia formata dal fascio ionico. Misurazioni attente erano importanti per testare i limiti della tecnica del fascio ionico. Le strutture del NIST hanno consentito al team di svolgere entrambi i compiti:fabbricazione di precisione e misurazione di precisione.

Il team ha applicato la nuova capacità per migliorare la misurazione della dimensione delle nanoparticelle. Utilizzando un fascio di ioni di gallio, i ricercatori hanno lavorato a macchina modelli di scale in biossido di silicio e poi li hanno chiusi per controllare il flusso di fluido su scala nanometrica. In alcuni dispositivi, i ricercatori hanno lavorato una scala con un gradino di 1,1 nanometri; ne hanno lavorati altri con un passo di 0,6 nanometri, solo pochi atomi in profondità.

I gradini della scala hanno separato con precisione le nanoparticelle immerse nell'acqua in base alle loro dimensioni. Le nanoparticelle sono confluite nel gradino più profondo in fondo alla scala, ma solo i più piccoli potevano salire verso il gradino più basso in cima; le nanoparticelle più grandi non potevano passare e rimanere intrappolate nella serie inferiore di gradini. Il colorante fluorescente all'interno delle nanoparticelle ha consentito al team di registrare la loro posizione con un microscopio ottico e abbinare tale posizione alla profondità nota della scala.

Il confronto delle dimensioni delle nanoparticelle indicate da questo metodo con le dimensioni misurate mediante la microscopia elettronica ha rivelato una corrispondenza accurata entro un nanometro. Questo buon accordo delle diverse misurazioni suggerisce che i dispositivi possono servire non solo come separatore di particelle, ma come materiale di riferimento per misurare le dimensioni delle nanoparticelle.

I produttori che eseguono regolarmente il controllo di qualità sulle nanoparticelle, determinando non solo la loro dimensione media, ma quante delle nanoparticelle sono leggermente più piccole o più grandi della media da un lotto all'altro, potrebbero trarre vantaggio dalla nuova tecnica. I dispositivi di nuova fabbricazione, in combinazione con un microscopio ottico economico per individuare le posizioni delle nanoparticelle, offrire un percorso potenzialmente più rapido ed economico rispetto ad altre tecniche di misurazione, ha notato Stavis. Il team sta ora studiando come i dispositivi potrebbero fungere da stampi master per la produzione di massa di repliche poco costose.

Poiché le nanoparticelle sono state misurate con un microscopio ottico, il team del NIST potrebbe anche esplorare la relazione tra la dimensione delle nanoparticelle e un'altra proprietà chiave:la loro luminosità. Chiarire tale relazione è importante per comprendere le proprietà di tali nanoparticelle come i punti quantici per i display a colori, nanoparticelle d'oro per sensori biomedici, e altre nanoparticelle per la somministrazione di farmaci.

Il team ha dettagliato il proprio processo in modo che i ricercatori del NIST possano facilmente trarre vantaggio e adattare il processo per il proprio lavoro. Diversi clienti della struttura per gli utenti di nanotecnologie del NIST, il Centro per la scienza e la tecnologia su nanoscala, dove si è svolto il lavoro, hanno espresso interesse nell'adattare la tecnologia per misurare sia la dimensione che la luminosità delle nanoparticelle in questi prodotti di consumo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.