Arrays af små koniske spidser, der skubber ioniserede materialer ud, kunne fremstille enheder i nanoskala billigt

Luis Fernando Velásquez-Garcías gruppe ved MITs Microsystems Technology Laboratories (MTL) udvikler tætte arrays af mikroskopiske kegler, der udnytter elektrostatiske kræfter til at udstøde strømme af ioner.

Teknologien har en række lovende anvendelser:Deponering eller ætsning af funktioner på mekaniske enheder i nanoskala; udspinning af nanofibre til brug i vandfiltre, rustning, og "smarte" tekstiler; eller fremdriftssystemer til "nanosatellitter" på størrelse med knytnæve.

I det seneste nummer af IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-García, hans kandidatstuderende Eric Heubel og Philip Ponce de Leon, og Frances Hill, en postdoc i hans gruppe, beskriv en ny prototype-array, der genererer 10 gange ionstrømmen pr. emitter, som tidligere arrays gjorde.

Ionstrøm er et mål for den ladning, der bæres af bevægelige ioner, hvilket oversættes direkte til den hastighed, hvormed partikler kan udstødes. Højere strømme lover således mere effektiv fremstilling og mere smidige satellitter.

Den samme prototype indeholder også 1, 900 emittere på en chip, der kun er en kvadratcentimeter, firdobling af arraystørrelsen og emittertætheden af ​​selv de bedste af sine forgængere.

"Dette er et felt, der drager fordel af at miniaturisere komponenterne, fordi nedskalering af emittere indebærer mindre strømforbrug, mindre forspænding til at betjene dem, og højere gennemløb, " siger Velásquez-García, en hovedforsker ved MTL. "Emnet, vi har taget fat på, er, hvordan vi kan få disse enheder til at fungere så tæt som vi kan på den teoretiske grænse, og hvordan vi i høj grad kan øge gennemløbet i kraft af multipleksing, med massivt parallelle enheder, der fungerer ensartet."

Når Velásquez-García taler om en "teoretisk grænse, " han taler om det punkt, hvor dråber - klumper af molekyler - i stedet for ioner - individuelle molekyler - begynder at strømme ud af emitterne. Blandt andre problemer, dråber er tungere, så deres udstødningshastighed er lavere, hvilket gør dem mindre anvendelige til ætsning eller satellitfremdrift.

Ionerne udstødt af Velásquez-Garcías prototype er fremstillet af et ionisk salt, der er flydende ved stuetemperatur. Overfladespænding transporterer væsken op på siden af ​​emitterne til spidsen af ​​keglen, hvis snæverhed koncentrerer det elektrostatiske felt. På spidsen, væsken er ioniseret og ideelt set, udstødt et molekyle ad gangen.

Sænk flowet

Når ionstrømmen i en emitter bliver høj nok, dråbedannelse er uundgåelig. Men tidligere emitter-arrays – dem bygget både af Velásquez-Garcías gruppe og af andre – faldt langt under denne tærskel.

Forøgelse af et arrays ionstrøm er et spørgsmål om at regulere strømmen af ​​det ioniske salt op ad emitternes sider. At gøre det, MIT-forskerne havde tidligere brugt sort silicium, en form for silicium dyrket som tætpakkede børster. Men i det nye værk, de brugte i stedet kulstofnanorør - atomtykke plader af kulstof rullet til cylindre - dyrket på udsenderens skråninger som træer på en bjergside.

Ved omhyggeligt at skræddersy tætheden og højden af ​​nanorørene, forskerne var i stand til at opnå en væskestrøm, der muliggjorde en ionstrøm meget tæt på den teoretiske grænse.

"Vi viser også, at de fungerer ensartet - at hver emitter gør nøjagtig det samme, " siger Velásquez-García. Det er afgørende for nanofabrikationsapplikationer, hvor dybden af ​​en ætsning, eller højden af ​​aflejringer, skal være konsistent på tværs af en hel chip.

For at kontrollere nanorørets vækst, forskerne dækker først emitter-arrayet med en ultratynd katalysatorfilm, som brydes til partikler ved kemiske reaktioner med både substratet og miljøet. Derefter udsætter de arrayet for et plasma rigt på kulstof. Nanorørene vokser op under katalysatorpartiklerne, som sidder oven på dem, indtil katalysatoren nedbrydes.

Forøgelse af emittertætheden - den anden forbedring rapporteret i det nye papir - var et spørgsmål om at optimere eksisterende produktionsopskrift, " siger Velásquez-García. Emitterne, som de fleste siliciumenheder i nanoskala, blev fremstillet ved fotolitografi, en proces, hvor mønstre overføres optisk til lag af materialer aflejret på siliciumwafers; et plasma ætser så materialet væk efter mønsteret. "Opskriften er gasserne, strøm, trykniveau, tid, og rækkefølgen af ​​raderingen, Velásquez-García siger. "Vi begyndte at lave elektrospray-arrays for 15 år siden, og fremstilling af forskellige generationer af enheder gav os knowhow til at gøre dem bedre."

Nanoprint

Velásquez-García mener, at brug af arrays af emittere til at producere nanoenheder kan have flere fordele i forhold til fotolitografi - den teknik, der producerer arrays selv. Fordi de kan fungere ved stuetemperatur og ikke kræver et vakuumkammer, arrays kunne deponere materialer, der ikke kan modstå de ekstreme forhold i mange mikro- og nanofremstillingsprocesser. Og de kunne eliminere den tidskrævende proces med at afsætte nye lag materiale, udsætte dem for optiske mønstre, ætser dem, og så starte forfra.

"Efter min mening, de bedste nanosystemer vil blive udført ved 3-D-print, fordi det ville omgå problemerne med standard mikrofabrikation, " siger Velásquez-García. "Den bruger uoverkommeligt dyrt udstyr, som kræver et højt træningsniveau for at fungere, og alt er defineret i fly. I mange applikationer vil du have tredimensionaliteten:3-D-print vil gøre en stor forskel i den slags systemer, vi kan sammensætte, og den optimering, vi kan gøre."

"Typisk er interessen for denne type emitter at være i stand til at udsende en stråle af ioner og ikke en stråle af dråber, " siger Herbert Shea, en lektor i Microsystems for Space Technologies Laboratory ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne. "Ved at bruge deres nanorørskov, de er i stand til at få enhederne til at fungere i ren iontilstand, men har en høj strøm, der typisk er forbundet med dråbetilstanden."

Shea mener, at i hvert fald på kort sigt, teknologiens mest lovende anvendelse er fremdrift af rumfartøjer. "Det ville kræve en stor indsats at gøre det til et praktisk mikrobearbejdningsværktøj, der henviser til, at det ville kræve meget lidt indsats at bruge det som fremdrift til små rumfartøjer, " siger han. "Grunden til, at du gerne vil være i iontilstand, er at have den mest effektive omdannelse af drivmidlets masse til rumfartøjets momentum."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.