Inspireret af stål, nanofremstilling får slidstærkt hårdmetalspids

(PhysOrg.com) - Forskere ved University of Pennsylvania, University of Wisconsin-Madison og IBM Research - Zurich har fremstillet en ultraskarp siliciumcarbidspids med så høj styrke, at den er tusindvis af gange mere slidstærk på nanoskala end tidligere designs. Det nye tip, hvilket er 100, 000 gange mindre end spidsen af ​​en blyant, repræsenterer et vigtigt skridt hen imod nanofremstilling til applikationer, herunder biosensorer til sundhed og miljø.

Søgen efter hårde materialer til at forlænge levetiden af ​​skarpe værktøjer er et ældgammelt problem, der startede med de første mejsler, der blev brugt til stenudskæring. Til sidst blev jern opdaget, og stålværktøj revolutionerede æraen. I dag, udfordringen forbliver den samme, men i meget mindre skala - behovet for en spids i nanostørrelse, der både er ultraskarp, men stadig fysisk robust, især under ekstreme temperaturer og barske kemiske miljøer.

"Drømmespidsmaterialet til termomekanisk nanofabrikation skal have en høj hårdhed, temperatur stabilitet, kemisk inertitet, og høj varmeledningsevne, " sagde Dr. Mark Lantz, manager i storage research hos IBM Research - Zurich. "Med dette nye tip fortsætter vi med at levere på IBM's vision om en smartere, instrumenteret verden med mikroskopiske sensorer, der overvåger alt fra vandforurening til patientbehandling."

Forlængelse af deres tidligere succesfulde samarbejde, forskere ved University of Pennsylvania, University of Wisconsin-Madison og IBM Research - Zürich har udviklet en ny, modstandsdygtig spids i nanostørrelse, der slides væk med en hastighed på mindre end et atom pr. millimeter glidning på et substrat af siliciumdioxid. Dette er meget lavere end slidhastigheden for konventionelle siliciumspidser, og dens hårdhed er 100 gange større end den for de tidligere avancerede siliciumoxid-doterede diamantlignende kulstofspidser udviklet af samme samarbejde sidste år.

"Sammenlignet med vores tidligere arbejde med silicium, den nye karbidspids kan glide på en siliciumdioxidoverflade omkring 10, 000 gange længere, før det samme slidvolumen er nået og 300 gange længere end vores tidligere diamantlignende kulstofspids. Dette er en betydelig præstation, der vil gøre nanofremstilling både praktisk og overkommelig, " sagde prof. Robert W. Carpick, University of Pennsylvania.

For at oprette det nye tip, Forskere udviklede en proces, hvorved overfladerne af siliciumspidser i nanoskala udsættes for carbonioner og derefter udglødes, så der dannes et stærkt siliciumcarbidlag, men skarpheden i nanoskalaen af ​​den originale siliciumspids bibeholdes. Selvom siliciumcarbid længe har været kendt som et ideelt kandidatmateriale til sådanne spidser, den unikke kulstofimplantations- og udglødningsproces gjorde det muligt at hærde overfladen, samtidig med at den oprindelige form bibeholdtes og sikret en stærk vedhæftning mellem den hærdede overflade af spidsen og det underliggende materiale - svarende til hvordan stål er hærdet for at gøre det hårdere.

Består primært af kulstof og silicium, spidsen er skærpet til en nano-størrelse apex og integreret på enden af ​​en silicium mikrokantil til brug i atomkraftmikroskopi. Betydningen af ​​udviklingen ligger ikke kun i dens evne til at bevare spidsens skarphed og dens modstandsdygtighed over for slid, men også i dens udholdenhed, når den glider mod et hårdt underlag såsom siliciumdioxid. Fordi silicium - der bruges i næsten alle integrerede kredsløbsenheder - oxiderer i atmosfæren, danner et tyndt lag af dets oxid, dette system er blandt de mest relevante til nye applikationer inden for nanolitografi og nanofremstillingsapplikationer.

Mere specifikt, forskere håber, at det nye tip kan bruges til at fremstille biosensorer, for eksempel til styring af glukoseniveauer hos diabetespatienter eller overvågning af forureningsniveauer i vand.

Probe-baserede teknologier forventes at spille en fremherskende rolle i mange sådanne teknologier. Imidlertid, dårlig slidstyrke af de hidtil anvendte spidsmaterialer, især når det glider mod siliciumoxid, har tidligere begrænset deres anvendelighed til eksperimentelle anvendelser.

Det næste skridt for forskere er at begynde at teste det nye tip til brug i applikationer, begyndende med nanofremstilling.

Studiet, offentliggjort i dag i det peer-reviewede tidsskrift Avancerede funktionelle materialer , blev udført i samarbejde af Dr. Mark A. Lantz og Dr. Bernd Gotsmann, IBM Research - Zürich; Tevis D. B. Jacobs, Dr. Papot Jaroenapibal, Prof. Robert W. Carpick, University of Pennsylvania; og Sean D. O'Connor og Prof. Kumar Sridharan, University of Wisconsin.