I fasci di elettroni focalizzati possono sintetizzare simultaneamente nanocristalli otticamente attivi e modellarli in intricate matrici di superficie

Un team di A*STAR ha assemblato punti quantici di solfuro di zinco (ZnS) in griglie su nanoscala e matrici di dischi simili a lenti eseguendo litografia a fascio di elettroni su un film sottile multiuso. Le proprietà fotoluminescenti di questi modelli potrebbero renderli componenti utili in applicazioni come biosensori e celle solari.

Mentre le singole nanoparticelle di ZnS hanno proprietà ottiche intriganti, a causa degli effetti dell'accoppiamento quantistico, le loro capacità di emissione di luce diventano più potenti se posizionate in gruppi ordinati. Invece dei tradizionali approcci dal basso verso l'alto che utilizzano sostanze chimiche umide per generare insiemi di nanoparticelle su chip di silicio, molti ricercatori ora affrontano questo problema dall'alto verso il basso, utilizzando la litografia su nanoscala per rimuovere il materiale indesiderato e scrivere punti quantici direttamente sulle superfici.

Scolpire forme in superfici di semiconduttori inferiori a 10 nanometri è una particolare competenza di M.S.M. Saifullah dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, e colleghi. Dirigono fasci di elettroni ad alta potenza su speciali film sottili chiamati "resist". Le aree del resist esposte ai fasci focalizzati subiscono cambiamenti chimici che consentono a minuscoli elementi di rimanere in posizione mentre il film circostante viene lavato via dai solventi.

Nella maggior parte delle tecniche di litografia a fascio di elettroni, il resist modellato viene trasferito su un altro substrato e una fase di attacco chimico genera le forme finali su nanoscala. Saifullah e la squadra, però, aveva una strategia diversa. "Abbiamo sviluppato un resist che può decomporsi e formare un solfuro di metallo proprio sotto il fascio di elettroni, " osserva. "Questa è stata una sfida perché la maggior parte delle resistenze non ha tali funzionalità".

Il team ha trovato un composto chiamato butilxantato di zinco che potrebbe soddisfare le loro esigenze. In questa molecola, gli atomi di zinco e zolfo sono collegati a gruppi organici a catena lunga che potenzialmente possono essere staccati utilizzando l'energia di un fascio di elettroni. Gli esperimenti con il nuovo resist hanno dimostrato l'efficienza di questo processo di conversione:aumentando gradualmente l'esposizione al fascio di elettroni, il film di partenza è stato trasformato in nanocristalli di ZnS con un tasso di conversione di quasi il 100%

I ricercatori guidati da A*STAR hanno sfruttato le proprietà dello zinco butilxantato resist per produrre linee di nanocristalli di ZnS con diametri fino a 6 nanometri. Quindi, dopo aver caratterizzato le strutture con la microscopia elettronica, hanno fatto un'altra scoperta fortuita:i nanopattern emettono una luce fotoluminescente brillante quando esposti a radiazioni ultraviolette. Gli stati di difetto sulle superfici dei nanocristalli sono stati individuati come la causa del nuovo comportamento ottico.

"La cosa bella dei nanocristalli ZnS fotoluminescenti è che possono essere disposti praticamente in qualsiasi forma, " dice Saifullah. "In futuro, vorremmo combinare queste nanostrutture con la plasmonica."