Fejende lasere sætter geometriske gitter i nanoskala sammen

Nede på nanoskalaen, hvor objekter spænder over en milliardtedel af en meter, størrelsen og formen af ​​et materiale kan ofte have overraskende og kraftfulde elektroniske og optiske effekter. At bygge større materialer, der bevarer subtile nanoskalaegenskaber, er en vedvarende udfordring, der former utallige nye teknologier.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har udviklet en ny teknik til hurtigt at skabe nanostrukturerede gitter til funktionelle materialer med hidtil uset alsidighed.

"Vi kan fremstille flerlagsgitre sammensat af forskellige materialer i stort set enhver geometrisk konfiguration, " sagde studiemedforfatter og Brookhaven Lab-forsker Kevin Yager. "Ved hurtigt og uafhængigt at kontrollere nanoskalastrukturen og sammensætningen, vi kan skræddersy ydeevnen af ​​disse materialer. Afgørende, processen kan let tilpasses til store applikationer."

Resultaterne - offentliggjort online 23. juni i tidsskriftet Naturkommunikation — kunne transformere fremstillingen af ​​højteknologiske belægninger til anti-reflekterende overflader, forbedrede solceller, og touchscreen elektronik.

Forskerne syntetiserede materialerne ved Brookhaven Labs Center for Functional Nanomaterials (CFN) og karakteriserede nanoskalaarkitekturerne ved hjælp af elektronmikroskopi ved CFN og røntgenspredning ved National Synchrotron Light Source - begge DOE Office of Science User Facilities.

Den nye teknik er afhængig af polymer selvsamling, hvor molekyler er designet til spontant at samles til ønskede strukturer. Selvmontering kræver et udbrud af varme for at få molekylerne til at snappe ind i de rigtige konfigurationer. Her, en intenst varm laser fejede hen over prøven for at transformere uordnede polymerblokke til præcise arrangementer på få sekunder.

"Selvsamlede strukturer har en tendens til automatisk at følge molekylære præferencer, gør tilpassede arkitekturer udfordrende, " sagde hovedforfatter Pawel Majewski, en postdoc-forsker ved Brookhaven. "Vores laserteknik tvinger materialerne til at samles på en bestemt måde. Vi kan derefter bygge strukturer lag for lag, konstruere gitter sammensat af firkanter, romber, trekanter, og andre former."

Lasersamlede nanotråde

For det første trin i netkonstruktionen, holdet udnyttede deres nylige opfindelse af laser zone annealing (LZA) til at producere de ekstremt lokaliserede termiske spidser, der er nødvendige for at drive ultrahurtig selvmontering.

For yderligere at udnytte kraften og præcisionen i LZA, forskerne påførte en varmefølsom elastisk belægning oven på den usamlede polymerfilm. Den fejende lasers varme får det elastiske lag til at udvide sig - som krympeomslag i omvendt rækkefølge - hvilket trækker og justerer de hurtigt dannede nanoskala cylindre.

"Slutresultatet er, at på mindre end et sekund, vi kan skabe meget afstemte partier af nano-cylindre, " sagde studiemedforfatter Charles Black, der leder Electronic Nanomaterials-gruppen på CFN. "Denne rækkefølge fortsætter over makroskopiske områder og ville være vanskelig at opnå med nogen anden metode."

For at gøre disse todimensionelle gitter funktionelle, forskerne omdannede polymerbasen til andre materialer.

En metode involverede at tage nano-cylinderlaget og dyppe det i en opløsning indeholdende metalsalte. Disse molekyler glom derefter på den selvsamlede polymer, omdanne det til et metallisk mesh. En bred vifte af reaktive eller ledende metaller kan bruges, inklusive platin, guld, og palladium.

De brugte også en teknik kaldet vapor deposition, hvor et fordampet materiale infiltrerer polymer nano-cylindrene og omdanner dem til funktionelle nanotråde.

Lag-for-lag gitter

Det første færdige nano-wire-array fungerer som grundlaget for det fulde gitter. Yderligere lag, hver af dem følger variationer af den samme proces, stables derefter for at producere tilpassede, konfigurationer på kryds og tværs - som kædehegn 10, 000 gange tyndere end et menneskehår.

"Retningen af ​​laseren, der fejer hen over hvert usamlet lag, bestemmer orienteringen af ​​nanotrådsrækkerne, " sagde Yager. "Vi skifter laserretningen på hvert lag, og måden rækkerne krydser og overlapper former gitteret. Vi påfører derefter de funktionelle materialer efter hvert lag er dannet. Det er en usædvanlig hurtig og enkel måde at producere så præcise konfigurationer på."

Studiemedforfatter Atikur Rahman, en CFN postdoc forsker, tilføjet, "Vi kan stable metaller på isolatorer, også, indlejring af forskellige funktionelle egenskaber og interaktioner i en gitterstruktur.

"Størrelsen og sammensætningen af ​​nettet gør en kæmpe forskel, " fortsatte Rahman. "F.eks. et enkelt lag platin nano-ledninger leder elektricitet i kun én retning, men et to-lags net leder ensartet i alle retninger."

LZA er præcis og kraftfuld nok til at overvinde grænsefladeinteraktioner, gør det muligt at drive polymer selvsamling selv oven på komplekse underliggende lag. Denne alsidighed muliggør brugen af ​​en bred vifte af materialer i forskellige nanoskalakonfigurationer.

"Vi kan generere næsten enhver todimensionel gitterform, og dermed have stor frihed til at fremstille multi-komponent nanostrukturer, " Yager said. "It's hard to anticipate all the technologies this rapid and versatile technique will allow."