Elektronstrålemikroskop skriver direkte funktioner på nanoskala i væske med metalblæk

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory er de første til at bruge et scanning transmission elektronmikroskop (STEM) til direkte at skrive bittesmå mønstre i metallisk "blæk, " danner træk i væske, der er finere end halvdelen af ​​bredden af ​​et menneskehår.

Den automatiserede proces styres ved at væve et STEM-instruments elektronstråle gennem en væskefyldt celle for at anspore aflejring af metal på en siliciummikrochip. De skabte mønstre er "nanoskala, " eller på størrelsesskalaen for atomer eller molekyler.

Normalt kræver fremstilling af nanoskalamønstre litografi, som anvender masker for at forhindre materiale i at samle sig på beskyttede områder. ORNLs nye direct-write-teknologi er som litografi uden masken.

Oplysninger om denne unikke egenskab er offentliggjort online i Nanoskala , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry, og forskere søger om patent. Teknikken kan give en ny måde at skræddersy enheder til elektronik og andre applikationer.

"Vi kan nu deponere metaller med høj renhed på specifikke steder for at bygge strukturer, med skræddersyede materialeegenskaber til en specifik anvendelse, " sagde hovedforfatter Raymond Unocic fra Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL. "Vi kan tilpasse arkitekturer og kemi. Vi er kun begrænset af systemer, der er opløselige i væsken og kan gennemgå kemiske reaktioner."

Eksperimentatorerne brugte gråtonebilleder til at skabe nanoskala skabeloner. Derefter strålede de elektroner ind i en celle fyldt med en opløsning indeholdende palladiumchlorid. Rent palladium udskiltes og aflejredes overalt, hvor elektronstrålen passerede.

Flydende miljøer er et must for kemi. Forskere havde først brug for en måde at indkapsle væsken, så den ekstreme tørhed af vakuumet inde i mikroskopet ikke ville fordampe væsken. Forskerne startede med en celle lavet af mikrochips med en siliciumnitridmembran til at fungere som et vindue, hvorigennem elektronstrålen kunne passere.

Så skulle de fremkalde en ny evne fra et STEM-instrument. "En ting er at bruge et mikroskop til billeddannelse og spektroskopi. En anden ting er at tage kontrol over det mikroskop for at udføre kontrollerede og stedspecifikke kemiske reaktioner på nanoskala, " sagde Unocic. "Med andre teknikker til elektronstrålelitografi, der er måder at forbinde det mikroskop på, hvor du kan styre strålen. Men det er ikke den måde, hvorpå aberrationskorrigerede scanningstransmissionselektronmikroskoper er sat op."

Indtast Stephen Jesse, leder af CNMS's Directed Nanoscale Transformations-tema. Denne gruppe ser på værktøjer, som videnskabsmænd bruger til at se og forstå stof og dets egenskaber på nanoskala i et nyt lys, og undersøger, om disse værktøjer også kan transformere stof et atom ad gangen og bygge strukturer med specificerede funktioner. "Tænk på, hvad vi laver som at arbejde i laboratorier i nanoskala, " sagde Jesse. "Dette betyder at være i stand til at fremkalde og stoppe reaktioner efter behag, samt overvåge dem, mens de sker."

Jesse havde for nylig udviklet et system, der fungerer som en grænseflade mellem et nanolitografimønster og en STEM's scanningsspoler, og ORNL-forskere havde allerede brugt det til selektivt at transformere faste stoffer. Mikroskopet fokuserer elektronstrålen til et fint punkt, hvilke mikroskopister kunne flytte bare ved at tage kontrol over scanningsspolerne. Unocic med Andrew Lupini, Albina Borisevich og Sergei Kalinin integrerede Jesses scanningskontrol/nanolithografi-system i mikroskopet, så de kunne kontrollere strålen, der kommer ind i væskecellen. David Cullen udførte efterfølgende kemisk analyse.

"Denne stråle-inducerede nanolitografi baserer sig kritisk på at kontrollere kemiske reaktioner i nanoskalavolumener med en stråle af energiske elektroner, " sagde Jesse. Systemet styrer elektronstrålepositionen, hastighed og dosis. Dosis - hvor mange elektroner der pumpes ind i systemet - styrer, hvor hurtigt kemikalier omdannes.

Denne nanoskalateknologi ligner aktiviteter i større skala, såsom at bruge elektronstråler til at transformere materialer til 3-D-print på ORNL's Manufacturing Demonstration Facility. I det tilfælde, en elektronstråle smelter pulver, så det størkner, lag for lag, at skabe et objekt.

"Vi gør stort set det samme, men i en væske, " sagde Unocic. "Nu kan vi skabe strukturer ud fra en væskefase-precursoropløsning i den form, vi ønsker, og den kemi, vi ønsker, tuning af de fysisk-kemiske egenskaber til en given applikation."

Præcis kontrol af strålepositionen og elektrondosis producerer skræddersyede arkitekturer. Indkapsling af forskellige væsker og sekventiel strømning af dem under mønstret tilpasser også kemien.

Den nuværende opløsning af metalliske "pixels", som det flydende blæk kan direkte-skrive, er 40 nanometer, eller dobbelt så bred som en influenzavirus. I det fremtidige arbejde, Unocic og kolleger vil gerne presse beslutningen ned for at nærme sig det nyeste inden for konventionel nanolitografi, 10 nanometer. De vil også gerne fremstille flerkomponentstrukturer.

Titlen på papiret er "Direct-write væskefasetransformationer med et scanningstransmissionselektronmikroskop."