Nano-støbeteknik giver ultra-holdbare sonder fra diamant

(PhysOrg.com) -- Da et hold af universitets- og industriforskere prøvede en roman, støbeformfyldningsteknik til fremstilling af nanoskalaenheder, de indså, at de havde opdaget en perle.

Ikke alene var de banebrydende for en tredimensionel fremstillingsmetode i nanoskala, de brugte processen til at lave ultrahårde, slidstærke nanosonder af et materiale, der ligner diamant.

I større skala, materialer, der ser glatte ud, slides stadig på grund af små uregelmæssigheder og defekter på deres overflader. Imidlertid, på nanoskala, atomer smitter af et ad gangen, skaber nye udfordringer for forskere, der bygger enheder nogle gange kun titusinder af atomer brede.

"Effekterne af friktion er vigtige i nanoskalaenheder og processer, hvor overfladekræfter såsom friktion er mere og mere dominerende på grund af det høje overflade-til-volumen-forhold, " siger Kumar Sridharan, en fremtrædende forskningsprofessor i ingeniørfysik ved University of Wisconsin-Madison og medlem af forskerholdet.

Holdet, som også omfattede forskere fra University of Pennsylvania og IBM Research-Zurich, offentliggjort detaljer om sin forskning 31. januar i forhånds online-udgaven af Natur nanoteknologi .

Fremgangen er nøglen, fordi den demonstrerer en metode til at anvende, i en tredimensionel applikation i nanoskala, siliciumholdigt diamantlignende kulstof, eller Si-DLC. I undersøgelsen, forskerne viste, at Si-DLC, som er værdsat for sin lave friktion og høje slidstyrke på makroskala, udviser også lignende fremragende slidstyrke på nanoskala.

"Det var ikke klart, at materialer, der er slidstærke på makroskala, udviser samme egenskaber på nanoskala, " siger hovedforfatter Harish Bhaskaran, en tidligere IBM-forsker, som nu er forsker i Yale University Department of Electrical Engineering.

Udviklet af Sridharan, den nye "nanostøberi"-teknik kunne nemt skaleres op til kommerciel fremstilling.

Ved at bruge en IBM silicium-på-isolator-wafer ætset med skarpe, pyramideformede "forme, "Sridharan brugte Si-DLC til at fremstille ultraskarpe spidser, med en radius på 5 nanometer, på standard silicium mikrocantilevers.

I øjeblikket, producenter ætser spidserne ud af silicium. Imidlertid, for den nye støberi-metode, Sridharan udnyttede plasma-immersionsionimplantation og -aflejring, en stuetemperaturproces, der tidligere blev brugt til påføring, eller "indbetaling, " belægninger på implantering af ioner i andre materialer. "Vi har altid afsat tynde film på materialer, " siger han. "Vi har set på det som en todimensionel overflademodifikationsproces."

I tre dimensioner, teknikken fungerer lidt ligesom den måde, hvorpå et snefald dækker jorden. I dette tilfælde, "sneen" er ioniseret hexamethyldisiloxan, en flydende forløber for Si-DLC, der forgasses i plasmakammeret og i sidste ende pakkes pænt ind i formene på IBM-waferen. "Vores proces har givet os mulighed for at udfylde et meget skarpt tip, meget præcist, " siger Sridharan.

En anden fordel er, at Si-DLC er en amorf, snarere end krystallinsk, materiale. Hvis en krystal er for stor, formen vil fylde uregelmæssigt og begrænse spidsens skarphed. Imidlertid, et amorft materiale kan glide atom for atom ind i formen, fylde det helt ud, som regndråber i en spand.

Ud over at fylde spidsformene helt, Si-DLC dækker også hele waferen. Forskerne udviklede en enkel, kommercielt gennemførlig to-trins siliciumætsningsproces for at frigøre spidsen og den integrerede cantilever fra waferen.

Spidserne har anvendelse i atomkraftmikroskopi, datalagring og nanofabrikation. I slidtest, hvor forskerne glidede spidserne kontinuerligt over en siliciumdioxidoverflade i flere dage, de fandt, at Si-DLC-tip var 3, 000 gange mere slidstærke end siliciumspidser. "Vi har taget et materiale, der er godt på makroskalaen, vi fremstiller det på nanoskala, og vi viser, at den er slidstærk på nanoskala, " siger Bhaskaran.

Andre forfattere på Natur nanoteknologi papir inkluderer Bernd Gotsmann, Abu Sebastian, Ute Drechsler, Mark A. Lantz, Michel Despont, Papot Jaroenapibal, Robert W. Carpick, og Yun Chen.