Forskere udvikler en effektiv metode til at producere nanoporøse metaller

Nanoporøse metaller - skumlignende materialer, der har en vis grad af luftvakuum i deres struktur - har en bred vifte af anvendelser på grund af deres overlegne kvaliteter.

De har et stort overfladeareal for bedre elektronoverførsel, hvilket kan føre til forbedret ydeevne af en elektrode i en elektrisk dobbelt kondensator eller batteri. Nanoporøse metaller tilbyder et øget antal tilgængelige steder til adsorption af analytter, en yderst ønskværdig funktion for sensorer.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og Swiss Federal Institute of Technology (ETH) forskere har udviklet en omkostningseffektiv og mere effektiv måde at fremstille nanoporøse metaller på i mange skalaer, fra nanoskala til makroskala, som er synligt med det blotte øje.

Processen begynder med en fire-tommers siliciumwafer. En belægning af metal tilsættes og sputteres hen over waferen. Guld, sølv og aluminium blev brugt til dette forskningsprojekt. Imidlertid, fremstillingsprocessen er ikke begrænset til disse metaller.

Næste, en blanding af to polymerer tilsættes til metalsubstratet for at skabe mønstre, en proces kendt som diblok copolymer litografi (BCP). Mønsteret er transformeret i en enkelt polymermaske med funktioner i nanometerstørrelse. Sidst, en teknik kendt som anisotropisk ionstrålefræsning (IBM) bruges til at ætse gennem masken for at lave en række huller, skaber det nanoporøse metal.

Under fremstillingsprocessen, metallets ruhed undersøges løbende for at sikre, at det færdige produkt har god porøsitet, hvilket er nøglen til at skabe de unikke egenskaber, der får nanoporøse materialer til at fungere. Jo grovere metallet er, jo mindre jævnt porøs bliver den.

"Under fremstillingen, vores team opnåede 92 procent poredækning med 99 procent ensartethed over en 4-tommers siliciumwafer, hvilket betyder, at metallet var glat og jævnt porøst, " sagde Tiziana Bond, en LLNL-ingeniør, der er medlem af det fælles forskerhold.

Holdet har defineret en metrik - baseret på en parametriseret korrelation mellem BCP-poredækning og metaloverfladeruhed - hvorved fremstillingen af ​​nanoporøse metaller skal stoppes, når ujævn porøsitet er det kendte resultat, sparer behandlingstid og omkostninger.

"Det virkelige gennembrud er, at vi skabte en ny teknik til fremstilling af nanoporøse metaller, der er billig og kan udføres i mange skalaer, hvor man undgår lift-off-teknikken til at fjerne metaller, med kvalitetskontrol i realtid, " sagde Bond. "Disse metaller åbner anvendelsesområdet til områder som energihøst, sansning og elektrokemiske undersøgelser."

Lift-off-teknikken er en metode til at mønstre målmaterialer på overfladen af ​​et substrat ved at bruge et offermateriale. Et af de største problemer med denne teknik er, at metallaget ikke kan skrælles ensartet (eller overhovedet) af på nanoskala.

Forskerholdets resultater blev rapporteret i en artikel med titlen "Fremstilling over mange skalaer:High fidelity makroskaladækning af nanoporøse metalarrays via lift-off-free nanofrabication." Det var forsidehistorien i et nyligt nummer af Avancerede materialegrænseflader .

Andre anvendelser af nanoporøse metaller omfatter støtte til udvikling af nye metamaterialer (konstruerede materialer) til strålingsforbedret filtrering og manipulation, inklusive dybt ultraviolet lys. Disse applikationer er mulige, fordi nanoporøse materialer letter unormal forbedring af transmitteret (eller reflekteret) lys gennem tunnelering af overfladeplasmoner, en funktion, der er meget anvendelig af lysemitterende enheder, plasmonisk litografi, brydningsindeks-baseret sensing og helt optisk switching.