Ny elektronmikroskopi-metode skulpturerer 3D-strukturer på atomniveau

Elektronmikroskopi forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udviklet en unik måde at bygge 3-D strukturer med fint kontrollerede former så små som en til to milliardtedele af en meter.

ORNL-undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Lille demonstrerer, hvordan scanning af transmissionselektronmikroskoper, bruges normalt som billedværktøjer, er også i stand til præcisionsskulptering af 3D-funktioner i nanometerstørrelse i komplekse oxidmaterialer.

Ved at tilbyde præcision i enkelt atomplan, teknikken kunne finde anvendelse i fremstilling af strukturer til funktionelle nanoskalaenheder såsom mikrochips. Strukturerne vokser epitaksialt, eller i perfekt krystallinsk justering, som sikrer, at de samme elektriske og mekaniske egenskaber strækker sig gennem hele materialet.

"Vi kan lave mindre ting med mere præcise former, " sagde ORNLs Albina Borisevich, der ledede undersøgelsen. "Processen er også epitaksial, hvilket giver os meget mere udtalt kontrol over egenskaber, end vi kunne opnå med andre tilgange."

Forskere fra ORNL kom tilfældigvis på metoden, da de afbildede en ufuldkomment forberedt strontiumtitanat tynd film. prøven, bestående af et krystallinsk substrat dækket af et amorft lag af samme materiale, transformeret, når elektronstrålen passerede gennem den. Et team fra ORNL's Institute for Functional Imaging of Materials, som forener videnskabsmænd fra forskellige discipliner, arbejdet sammen for at forstå og udnytte opdagelsen.

"Da vi udsatte det amorfe lag for en elektronstråle, vi så ud til at skubbe det til at adoptere sin foretrukne krystallinske tilstand, " sagde Borisevich. "Det gør det præcis, hvor elektronstrålen er."

Brugen af ​​et scanningstransmissionselektronmikroskop, som passerer en elektronstråle gennem et bulkmateriale, adskiller tilgangen fra litografiteknikker, der kun mønstrer eller manipulerer et materiales overflade.

"Vi bruger finkontrol af strålen til at bygge noget inde i selve faststoffet, " sagde ORNLs Stephen Jesse. "Vi laver transformationer, der er begravet dybt inde i strukturen. Det ville være som at gå i tunnel inde i et bjerg for at bygge et hus."

Teknikken tilbyder en genvej til forskere, der er interesserede i at studere, hvordan materialernes egenskaber ændrer sig med tykkelsen. I stedet for at afbilde flere prøver af varierende bredder, videnskabsmænd kunne bruge mikroskopimetoden til at tilføje lag til prøven og samtidig observere, hvad der sker.

"Hele forudsætningen for nanovidenskab er, at nogle gange, når du krymper et materiale, udviser det egenskaber, der er meget anderledes end bulkmaterialet, " sagde Borisevich. "Her kan vi kontrollere det. Hvis vi ved, at der er en vis afhængighed af størrelse, vi kan bestemme præcis, hvor vi vil være på den kurve og gå derhen."

Teoretiske beregninger på ORNLs Titan-supercomputer hjalp forskerne med at forstå processens underliggende mekanismer. Simuleringerne viste, at den observerede adfærd, kendt som en knock-on proces, er i overensstemmelse med, at elektronstrålen overfører energi til individuelle atomer i materialet i stedet for at opvarme et område af materialet.

"Med elektronstrålen, vi sprøjter energi ind i systemet og skubber, hvor det ellers ville gå af sig selv, givet nok tid, " sagde Borisevich. "Termodynamisk ønsker den at være krystallinsk, men denne proces tager lang tid ved stuetemperatur."

Undersøgelsen er publiceret som "Skulptering af krystallinske oxider på atomniveau:mod bulk nanofabrikation med enkelt atomplans præcision."