Variando l'energia e la dose di fasci di elettroni strettamente focalizzati, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di incidere e depositare modelli su nanoscala ad alta risoluzione su strati bidimensionali di ossido di grafene. La "scultura" additiva/sottrattiva 3-D può essere eseguita senza modificare la chimica della camera di deposizione del fascio di elettroni, fornendo le basi per la costruzione di una nuova generazione di strutture su scala nanometrica.

Basato su tecniche di elaborazione focalizzata indotta da fascio di elettroni (FEBID), il lavoro potrebbe consentire la produzione di nanostrutture complesse 2-D/3-D e nanodispositivi funzionali utili nelle comunicazioni quantistiche, rilevamento, e altre applicazioni. Per materiali contenenti ossigeno come ossido di grafene, l'incisione può essere eseguita senza introdurre materiali esterni, utilizzando l'ossigeno dal substrato.

"Temprando e sintonizzando l'energia del fascio di elettroni, possiamo attivare l'interazione del raggio con l'ossigeno nell'ossido di grafene per eseguire l'incisione, o interazione con idrocarburi sulla superficie per creare deposizione di carbonio, " ha detto Andrei Fedorov, professore e Rae S. e Frank H. Neely Chair presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Con il controllo su scala atomica, possiamo produrre modelli complicati utilizzando processi diretti di rimozione e scrittura. I sistemi quantistici richiedono un controllo preciso su scala atomica, e questo potrebbe consentire una serie di potenziali applicazioni".

La tecnica è stata descritta il 7 agosto sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS . Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento di Energia degli Stati Uniti Office of Science, Scienze energetiche di base. I coautori includevano ricercatori della Pusan ​​National University in Corea del Sud.

La creazione di strutture su nanoscala viene tradizionalmente eseguita utilizzando un processo a più fasi di rivestimento e modellazione di fotoresist mediante litografia a fascio di foto o di elettroni, seguito da incisione o deposizione in massa a secco/umido. L'uso di questo processo limita la gamma di funzionalità e topologie strutturali che possono essere raggiunte, aumenta la complessità e il costo, e rischia la contaminazione dai molteplici passaggi chimici, creando barriere alla fabbricazione di nuovi tipi di dispositivi da materiali 2-D sensibili.

FEBIP consente un materiale chimico/sito-specifico, elaborazione su scala atomica multimodale ad alta risoluzione e offre opportunità senza precedenti per "scrittura diretta, " modellazione superficiale in un unico passaggio di nanomateriali 2-D con una capacità di imaging in situ. Consente di realizzare un rapido approccio "top-down e bottom-up" multiscala/multimodale, che vanno da una manipolazione su scala atomica a una modifica della superficie di un'ampia area su nano e microscala.

"Sintonando il tempo e l'energia degli elettroni, puoi rimuovere materiale o aggiungere materiale, " Fedorov ha detto. "Non ci aspettavamo che dopo l'esposizione degli elettroni dell'ossido di grafene avremmo iniziato a incidere i modelli".

Con ossido di grafene, il fascio di elettroni introduce perturbazioni su scala atomica negli atomi di carbonio disposti in 2-D e utilizza l'ossigeno incorporato come agente di attacco per rimuovere gli atomi di carbonio in schemi precisi senza l'introduzione di un materiale nella camera di reazione. Fedorov ha detto che qualsiasi materiale contenente ossigeno potrebbe produrre lo stesso effetto. "È come se l'ossido di grafene portasse il suo stesso attacco, " ha detto. "Tutto ciò di cui abbiamo bisogno per attivarlo è 'seminare' la reazione con elettroni di energia appropriata".

Per l'aggiunta di carbonio, mantenere il fascio di elettroni focalizzato sullo stesso punto per un tempo più lungo genera un eccesso di elettroni a energia inferiore per interazioni del fascio con il substrato per decomporre le molecole di idrocarburi sulla superficie dell'ossido di grafene. In quel caso, gli elettroni interagiscono con gli idrocarburi piuttosto che con il grafene e gli atomi di ossigeno, lasciando dietro di sé atomi di carbonio liberati come deposito 3-D.

"A seconda di quanti elettroni gli porti, puoi far crescere strutture di diverse altezze lontano dalle scanalature incise o dal piano bidimensionale, " ha detto. "Puoi pensarlo quasi come una scrittura olografica con elettroni eccitati, substrato e molecole adsorbite combinate al momento giusto e nel posto giusto."

Il processo dovrebbe essere adatto al deposito di materiali come metalli e semiconduttori, sebbene i precursori avrebbero bisogno di essere aggiunti alla camera per la loro creazione. Le strutture 3D, solo nanometri di altezza, potrebbero servire come distanziatori tra strati di grafene o come elementi di rilevamento attivi o altri dispositivi sugli strati.

"Se vuoi usare il grafene o l'ossido di grafene per dispositivi di meccanica quantistica, dovresti essere in grado di posizionare strati di materiale con una separazione sulla scala dei singoli atomi di carbonio, " Fedorov ha detto. "Il processo potrebbe essere utilizzato anche con altri materiali".

Usando la tecnica, i fasci di elettroni ad alta energia possono produrre caratteristiche di dimensioni larghe solo pochi nanometri. Le trincee incise nelle superfici potrebbero essere riempite con metalli introducendo atomi di metallo contenenti precursori.

Al di là dei semplici schemi, il processo potrebbe essere utilizzato anche per far crescere strutture complesse. "In linea di principio, potresti far crescere una struttura come una Torre Eiffel in nanoscala con tutti i dettagli intricati, " Fedorov ha detto. "Ci vorrebbe molto tempo, ma questo è il livello di controllo possibile con la scrittura a fascio di elettroni."

Sebbene i sistemi siano stati costruiti per utilizzare più fasci di elettroni in parallelo, Fedorov non li vede utilizzati in applicazioni ad alto volume. Più probabilmente, Egli ha detto, è l'uso di laboratorio per fabbricare strutture uniche utili per scopi di ricerca.

"Stiamo dimostrando strutture che altrimenti sarebbero impossibili da produrre, " ha detto. "Vogliamo consentire lo sfruttamento di nuove capacità in aree come i dispositivi quantistici. Questa tecnica potrebbe essere uno stimolo per l'immaginazione per una nuova fisica interessante che ci viene incontro con il grafene e altri materiali interessanti".