L'immagine al microscopio elettronico a scansione colorata mostra la posizione di un dispositivo termico resistivo RTD (termometro su nanoscala) mentre il substrato di deposizione si sposta rispetto al capillare dell'ugello di microdimensioni per l'iniezione del getto di gas per la mappatura della temperatura locale. La risposta termica RTD è stata utilizzata per la convalida della previsione del modello dello stato termico di non equilibrio dell'adatom. Credito:Matthew R. Henry
Eccitando le molecole precursori usando un minuscolo, getto supersonico di gas inerte ad alta energia, i ricercatori hanno notevolmente accelerato la fabbricazione di strutture su scala nanometrica. La tecnica di produzione additiva rapida consente loro anche di produrre strutture con proporzioni elevate. Ora, una teoria sviluppata per descrivere la tecnica potrebbe portare a nuove applicazioni per la nanoproduzione additiva e nuovi materiali su nanoscala.
Sulla base della deposizione focalizzata del fascio di elettroni, la tecnica consente di fabbricare strutture da precursori in fase gassosa a velocità che si avvicinano a quanto ci si potrebbe aspettare nella fase liquida, il tutto senza aumentare la temperatura dei substrati. Ciò potrebbe portare alla produzione delle strutture su scala nanometrica a velocità che potrebbero renderle pratiche per l'uso nella memoria magnetica, antenne ad alta frequenza, dispositivi di comunicazione quantistica, spintronica e risonatori su scala atomica.
"Stiamo controllando la materia su scala atomica per realizzare nuove modalità di produzione additiva, " ha detto Andrei Fedorov, un professore della George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Questa nuova scienza potrebbe portare a applicazioni di produzione additiva che altrimenti sarebbero impossibili. La nuova tecnologia risultante aprirà nuove dimensioni per la produzione additiva su scala atomica".
Il lavoro è nato dalla frustrazione nel tentativo di creare piccole strutture utilizzando i fasci di elettroni, che può avere un diametro di pochi nanometri. La ricerca è stata supportata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ed è stato riportato il 28 maggio sulla rivista Chimica Fisica Fisica Chimica .
"Quando siamo andati in laboratorio per utilizzare la nanofabbricazione con fasci di elettroni focalizzati, che hanno le dimensioni di pochi nanometri, non potevamo far crescere strutture di pochi nanometri. Sono cresciuti fino a 50 o 100 nanometri, " Ha spiegato Fedorov. "E ci è voluto anche molto tempo per produrre le strutture, il che significava che, senza miglioramenti, non saremmo mai in grado di produrli ad alto volume."
Fedorov e i collaboratori Matthew Henry e Songkil Kim si sono resi conto che le reazioni che producevano le strutture erano lente, e legate allo stato termodinamico del substrato su cui vengono coltivate. Hanno deciso di aggiungere un po' di energia al processo per accelerare le cose, fino a cento volte più velocemente.
Il risultato è stato l'invenzione di un micro-iniettore capillare di pochi micrometri di diametro che potrebbe introdurre minuscoli getti di molecole gassose nella camera di deposizione per attivare i precursori per le strutture su scala nanometrica. In parte perché il getto sta entrando in una camera a vuoto, il gas accelera a velocità supersoniche. L'energia del getto supersonico eccita le molecole precursori che vengono adsorbite al substrato.
La vista in sezione trasversale mostra la densità molecolare del getto di gas supersonico mentre si espande nel vuoto e colpisce un substrato, portando alla deposizione accelerata di materiale da un precursore adsorbito energizzato. Credito:Matthew R. Henry
"Questo stato termico energetico consente agli elettroni del raggio di rompere molto più facilmente i legami chimici, e come risultato, le strutture crescono molto più velocemente, " Fedorov ha detto. "Tutta questa amplificazione, sia il trasporto della molecola che la velocità di reazione, sono esponenziali, il che significa che un piccolo cambiamento può portare a un drammatico aumento dei risultati".
Questo è stato osservato sperimentalmente, ma per capire come controllare il processo ed espandere le sue applicazioni, i ricercatori volevano creare una teoria per ciò che stavano vedendo. Hanno usato tecniche termometriche su nanoscala per misurare la temperatura degli atomi adsorbiti, noti anche come adatomi, soggetti al getto, e ha usato quelle informazioni per aiutare a capire la fisica di base al lavoro.
"Una volta che abbiamo un modello, diventa essenzialmente uno strumento di progettazione, " Fedorov ha detto. "Con questa comprensione e le capacità che abbiamo dimostrato, possiamo estenderli ad altri campi come l'autoassemblaggio diretto, crescita epitassiale e altre aree. Ciò potrebbe consentire a tutta una serie di nuove funzionalità di utilizzare questo tipo di nanofabbricazione a scrittura diretta".
Lo sviluppo del modello e la comprensione della fisica dei primi principi dietro di esso potrebbe anche consentire ad altri ricercatori di trovare nuove applicazioni.
"Con questo, puoi avere quasi lo stesso tasso di crescita dell'ordine di grandezza che avresti con i precursori della fase liquida, ma hanno ancora accesso alla ricchezza di possibili precursori, la capacità di manipolare le leghe, e tutta l'esperienza maturata negli anni con la deposizione in fase gassosa, " Fedorov ha detto. "Questa tecnologia ci consentirà di fare le cose su una scala significativa da un punto di vista pratico e conveniente".
La capacità di produrre rapidamente piccoli, le strutture tridimensionali potrebbero aprire una serie di nuove applicazioni.
"Se puoi adattare tecniche di scrittura diretta additiva, questo potrebbe portare molte capacità uniche per la memoria magnetica, materiali superconduttori, dispositivi quantistici, circuiti elettronici 3-D, e tante altre cose, " ha detto. "Queste strutture sono attualmente molto difficili da realizzare utilizzando metodi convenzionali".
Oltre a utilizzare i getti per accelerare la deposizione di materiali precursori già sul substrato, i ricercatori hanno anche creato jet ibridi che contengono sia gas inerte ad alta energia che gas precursori, che consentono non solo una drammatica accelerazione della crescita delle nanostrutture, ma anche un controllo preciso della composizione del materiale durante la crescita. Nel lavoro futuro, i ricercatori prevedono di utilizzare questi approcci ibridi per consentire la formazione di nanostrutture con fase e topologia che non possono essere raggiunte da alcuna tecnica di nanofabbricazione esistente.
