3D nanobroer dannet ved hjælp af elektronstråleskrivning med små stråler af flydende prækursor

Forskere har demonstreret en ny proces til hurtigt at fremstille komplekse tredimensionelle nanostrukturer fra en række forskellige materialer, inklusive metaller. Den nye teknik bruger nanoelektrospray til at give en kontinuerlig forsyning af flydende prækursor, som kan omfatte metalioner, der omdannes til højrent metal af en fokuseret elektronstråle.

Den nye proces genererer strukturer, som ville være umulige at lave ved hjælp af gasfase-fokuseret elektronstråle-induceret aflejring (FEBID) teknikker, og tillader fremstilling med hastigheder op til fem størrelsesordener hurtigere end gasfaseteknikken. Og fordi den bruger standard flydende opløsningsmidler, den nye proces kunne drage fordel af en bred vifte af prækursormaterialer. Flere materialer kan også deponeres samtidigt.

"Ved at give os mulighed for at dyrke strukturer meget hurtigere med en bred vifte af forstadier, denne teknik åbner virkelig en helt ny retning for at lave et hierarki af komplekse tredimensionelle strukturer med opløsning i nanoskala i den hastighed, der kræves for at fremstille skalerbarhed, " sagde Andrei Fedorov, en professor ved George Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette kan give et grundlæggende skift i den måde, dette felt vil gå på."

Forskningen blev støttet af US Department of Energy's Office of Science og rapporteret i tidsskriftet Nano bogstaver . Anvendelser til hurtig elektronstråleskrivning af topologisk komplekse 3D-nanostrukturer kunne omfatte nye typer elektrodetopologier til batterier og brændselsceller, vertikalt stablet elektronisk hukommelse, substrater til styring af celledifferentiering og små elektrokemiske konverteringsanordninger.

I den etablerede FEBID-proces, en elektronstråle bruges til at skrive strukturer fra molekyler, der er adsorberet på en fast overflade, der giver støtte og nukleationssteder til aflejringsvækst. Forstadierne indføres i højvakuum-elektronmikroskopkammeret i gasfase. Højenergielektroner i strålen interagerer med substratet for at producere lavenergisekundære elektroner, som dissocierer de adsorberede prækursormolekyler, resulterer i aflejring af fast materiale på substratoverfladen.

Selvom det muliggør præcis atom-for-atom fremstilling af nanostrukturer, processen er meget langsom, fordi den lave tæthed af adsorberede gasmolekyler i vakuummiljøet begrænser mængden af ​​tilgængeligt materiale til fremstilling. Og strukturer skal fremstilles fra substratoverfladen og op med konstant faldende væksthastighed og fra et begrænset antal tilgængelige precursorgasser.

Fedorov og hans samarbejdspartnere har dramatisk accelereret processen ved at introducere elektrisk ladede væskefase-prækursorer direkte i højvakuum i elektronmikroskopkammeret. Væskefase-prækursorer var blevet påvist før, men materialerne skulle indesluttes i en lille kapsel, hvor reaktionen fandt sted, begrænse fremstillingsfleksibiliteten, kapacitet og nytte af tilgangen til 3D nanofabrikation.

Forskerholdet – inklusive kandidatstuderende og førsteforfatter Jeffrey Fisher, postdoc-stipendiat Songkil Kim og seniorforsker Peter Kottke – brugte lavflygtige opløsningsmidler såsom ethylenglycol, at opløse et salt af sølv i væsken. I løsning, saltet opløses i sølvkationer, tillader produktion af sølvmetalaflejringer ved elektrokemisk reduktionsreaktion ved anvendelse af solvatiserede sekundære elektroner snarere direkte molekylær nedbrydning.

Opløsningsmidlet, der indeholder de ønskede materialeioner, indføres i kammeret ved hjælp af et nanoelektrospray-system, der består af en lille dyse med kun få mikrometer i diameter. Ved at påføre det fokuserede elektriske felt på dysen, væskestrålen trækkes og afgives til substratet og danner en præcist kontrolleret tynd væskefilm.

Elektrosprayen producerer ladede dråber i nanometerskala fra en Taylor-keglestråle kun 100 nanometer i diameter, som smelter sammen ved stød og danner en tynd film af precursoren på det faste substrat.

Forskerholdet brugte selve elektronstrålen til at visualisere Taylor-keglestrålen i vakuummiljøet, første gang dette nogensinde har vist, samt at måle tykkelsen af ​​væskefilmen in situ ved at bruge en nanoskala "lineal" præfabrikeret på aflejringssubstratet. Elektronstrålen scanner derefter den flydende film efter et ønsket mønster, producerer passende energielektroner, som opløser og reducerer kationerne, skrivestrukturer i præcis formation fra forløberen leveret af den elektrificerede jet. Selvom fordampning af opløsningsmidlet forekommer, nanoelektrosprayen kan opretholde en stabil film længe nok til, at strukturerne kan dannes.

Kombinationen af ​​en tættere forløber, reduktion i materialeoverfladeoverførselsproblemer og eliminering af behovet for at bryde kemiske bindinger med elektronstrålen tillader fremstilling op til fem størrelsesordener – en faktor på 5, 000 – hurtigere end den tidligere gasfaseteknik.

"Ved at ændre energien af ​​strålen og strømmen, vi kan fortrinsvis dyrke nanostrukturer i 3D i meget hurtigere hastighed, " sagde Fedorov. "Pludselig, der er en lang række forskellige applikationer, som ikke var mulige før."

Varierer forløbertypen, filmtykkelse, koncentrationen af ​​ioner og elektronstrålens energi og strøm styrer den slags strukturer, der kan laves, sagde Fedorov. Strukturer som broer, der forbinder stolper, bliver mulige, fordi materiale kan skrives oven på de tynde film.

Forskerne har fremstillet kulstof nanopiller fem mikrometer høje, væglignende nanostrukturer, der forbinder to nanopiller, og ophængte brolignende bue-nanostrukturer, der forbinder nanopiller. Strukturerne krævede væksttider fra 2 til 40 sekunder. Sølv mikrosøjler er også blevet fremstillet.

Den nye proces giver betydelig fleksibilitet i fremstillingen, åbner muligheden for at deponere mere end ét materiale samtidigt. Det kunne tillade produktion af legeringer og kompositter, såsom kombinationer af sølv og guld. Eller, et materiale kan bruges som en skabelon, der skal overtrækkes af et andet materiale med den simple udskiftning af prækursormaterialer.

Indtil nu, Georgia Tech-teamet har produceret strukturer af sølv og kulstof, men processen kunne bruges til at fremstille en lang række metalliske og ikke-metalliske nanomaterialer. Metaller fremstillet ved hjælp af teknikken kan være meget rene, fordi et kulstofproducerende precursor-dissociationstrin kan afbødes.

Det næste trin vil være at forstå fysikken og kemien, der styrer fremstillingsprocessen for at tillade mere præcis kontrol og vejlede andre, der måtte ønske at bruge den til deres egne specifikke applikationer.

"Vi forventer, at opløsningsmidlernes rolle vil være meget vigtig i den slags kinetiske veje, som vi kan kontrollere for at producere mange forskellige slags strukturer med ønsket kemisk sammensætning, " sagde Fedorov. "Dette giver os en mulighed for at udforske et regime af kemi og fysik, som tidligere havde været uden for, hvad vi kunne studere. Vi ønsker at etablere en forståelse af den grundlæggende fysik og kemi i processen."

Fremtidigt arbejde vil omfatte en undersøgelse af, hvordan samspillet mellem stråler med forskellige energier, vakuummiljøer, opløsningsmidler og koncentrationer af ioniske arter påvirker resultatet.

"Vi har demonstreret, at vi kan elektrospraye flydende prækursorer inde i et højvakuummiljø i et elektronmikroskop og derefter bruge elektroner til at lette nyttige kemiske transformationer, " sagde Fedorov. "Vi tror, ​​at dette vil gøre det muligt for videnskabsmænd og ingeniører at lave strukturer, de kun havde kunnet drømme om før."