Nanoshaping metode peger på fremtidig produktionsteknologi

En ny metode, der skaber store arealmønstre af tredimensionelle nanoshapes fra metalplader, repræsenterer et potentielt fremstillingssystem til billigt at masseproducere innovationer såsom "plasmoniske metamaterialer" til avancerede teknologier.

Metamaterialerne har konstruerede overflader, der indeholder funktioner, mønstre eller elementer på nanometers skala, der muliggør enestående kontrol af lys og kan bringe innovationer såsom højhastighedselektronik, avancerede sensorer og solceller.

Den nye metode, kaldet laserchok -aftryk, skaber former ud af de krystallinske former for metaller, muligvis give dem ideelle mekaniske og optiske egenskaber ved hjælp af et bænk-top-system, der er i stand til at masseproducere formerne billigt

Fundene er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist fredag ​​(12. december) i tidsskriftet Videnskab . Papiret er forfattet af forskere fra Purdue University, Harvard Universitet, Madrid Institute for Advanced Studies, og University of California, San Diego. Undersøgelsen ledes af Gary Cheng, en lektor i industriel teknik på Purdue.

Formerne, som omfatter nanopyramider, gear, barer, riller og et fiskenetmønster, er for små til at blive set uden specialiserede billedinstrumenter og er tusinder af gange tyndere end bredden af ​​et menneskehår. Forskerne brugte deres teknik til at stemple nanoshapes ud af titanium, aluminium, kobber, guld og sølv.

En vigtig fordel ved den stødfremkaldte formning er skarpt definerede hjørner og lodrette funktioner, eller high-fidelity strukturer.

"Disse nanoshapes har også ekstremt glatte overflader, hvilket potentielt er meget fordelagtigt til kommercielle applikationer, "Cheng sagde." Traditionelt har det været virkelig svært at deformere et krystallinsk materiale til en nanomold meget mindre end udgangsmaterialernes kornstørrelse, og på grund af størrelseseffekterne er materialerne superstærke, når kornstørrelsen skal reduceres til meget små størrelser. Derfor, det er meget udfordrende at generere metalflow til nanomolds med high-fidelity 3D-formning. "

Forskerne skabte også hybridstrukturer, der kombinerer metal med grafen, en ultratynd plade af kulstof, der lover for forskellige teknologier. Et sådant hybridmateriale kan forstærke den plasmoniske effekt og bringe "metamaterialet perfekte absorbere, "eller MPA'er, som har potentielle applikationer inden for optoelektronik og trådløs kommunikation.

"Vi kan generere nanopatter på metal-grafenhybridmaterialer, som åbner nye måder at mønstre 2-D krystaller, "Sagde Cheng.

Teknikken fungerer ved at bruge en pulserende laser til at generere "høj belastningshastighed" aftryk af metaller i nanomolden.

"Vi starter med en metal tynd film, og vi kan deformere det til 3-D nanoshapes mønstret over store områder, "Cheng sagde." Hvad der er mere interessant er, at de resulterende 3D-nanostrukturer stadig er krystallinske efter prægningsprocessen, som giver gode elektromagnetiske og optiske egenskaber. "

Mens andre forskere har skabt nanoshapes ud af relativt bløde eller amorfe materialer, den nye forskning viser, hvordan man skaber nanoshapes af hårde og krystallinske metaller.

Silicium -nanomoldene blev fremstillet på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park af en forskningsgruppe ledet af Minghao Qi, en lektor i el- og computerteknik.

"Det er kontra-intuitivt at bruge silicium til forme, fordi det er et ret sprødt materiale i forhold til metaller, "Sagde Qi." Dog, efter at vi har lagt et ultratyndt lag aluminiumoxid på nanomoldene, det fungerer ekstremt godt til dette formål. Nanomoldene kunne genbruges mange gange uden synlige skader. En del af årsagen er, at selvom belastningshastigheden er meget høj, det anvendte stødtryk er kun omkring 1-2 gigapascal. "

Formerne viste sig at have et "aspektforhold" så højt som 5, hvilket betyder, at højden er fem gange større end bredden, et vigtigt træk ved udførelsen af ​​plasmoniske metamaterialer.

"Det er en meget udfordrende opgave ud fra et fabrikationsmæssigt synspunkt at skabe ultra-glat, high-fidelity nanostrukturer, "Qi siger." Normalt når metaller omkrystalliseres, danner de korn, og det gør dem mere eller mindre ru. Tidligere forsøg med at danne metal nanostrukturer har måttet ty til meget højt tryk påtryk af krystallinske metaller eller præget af amorft metal, som enten giver høj ruhed i krystallinske metaller eller glatte overflader i amorfe metaller, men meget høj elektrisk modstand. For potentielle anvendelser inden for nanoelektronik, optoelektronik og plasmonik du vil have egenskaber såsom høj præcision, lavt elektromagnetisk tab, høj elektrisk og termisk ledningsevne. Du vil også have, at det skal være meget høj trofasthed med hensyn til mønsteret, skarpe hjørner, lodrette sidevægge, og dem er meget svære at få. Inden Garys gennembrud, Jeg tænkte, at det var usandsynligt at opnå alle de gode kvaliteter sammen. "

Avisen blev forfattet af Purdue -ph.d. -studerende Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, og Yingling Yang; forsker Ramses V. Martinez fra Harvard og Madrid Institute for Advanced Studies; Purdue forskningsassistent professor Yi Xuan, Purdue forskningsassistent Chunyu Li; Jian Luo, professor ved University of California, San Diego; Qi og Cheng.

Fremtidig forskning kan fokusere på at bruge teknikken til at skabe et roll-to-roll fremstillingssystem, som bruges i mange industrier, herunder papir- og metalpladeproduktion og kan være vigtig for nye applikationer såsom fleksibel elektronik og solceller.