Prægning af nanomønstre i metaller

Materialeforskere ved TU Darmstadt præger nanomønstre i metaller, en teknologi, der kan give metalliske overflader permanent funktionalitet, som en lotuseffekt eller reducerede friktionsegenskaber.

En bager med speciale i de krydrede Spekulatius-kiks spist i Tyskland omkring juletid og Paul Braun, en ph.d.-studerende ved Fysisk Metallurgi-gruppen i Institut for Materialer og Geovidenskab ved TU Darmstadt har én ting til fælles:de bruger begge noget af deres tid på at præge designs i materialer - det ene i kiksedej; den anden i metal. Imidlertid, mens dyrene, tal, og vindmøller, der typisk er stemplet i julesmåkagerne, kan let identificeres, Brauns aftryk er for små til at være usynlige med det blotte øje. De formes til metallet ved hjælp af et lille stempel af diamant, der ikke er større end spidsen af ​​en nål. "Diamant er perfekt til opgaven", Braun forklarer, "da det er et ekstremt hårdt materiale, der er næsten uigennemtrængeligt for slid."

For at kunne bruges til prægning, diamanten er fastspændt i en speciel enhed, en såkaldt nanoindenter. Rent faktisk, materialeforskerne ved TU Darmstadt bruger normalt nanoindenteren til helt forskellige formål, såsom at teste hårdheden, brudadfærd, og andre egenskaber ved forskellige materialer. Disse test involverer alle brugen af ​​en diamantpen, der presses ind i materialet, der testes, hvorved der påføres en kraft og fordybningsdybden måles på nanoskalaen. Ud over, enheden kan bruges i kombination med et scanningselektronmikroskop (SEM) til at undersøge revnedannelse af tynde belægninger under indrykningsprocessen. Brauns ph.d.-vejleder Dr. Karsten Durst, Professor i fysisk metallurgi ved TU Darmstadt, forklarer:"Diamantspidsen presses mindre end 100 nanometer ind i prøven under sådanne tests, så nanoindenteren kan bruges til at udforske tynde lag."

I mange år har han drevet udviklingen af ​​denne metode til materialetestformål og bruger den nu til at løse nye problemer. Han planlægger nu at bruge det til nano-skala prægning af metaloverflader. Denne teknologi, som eksperter omtaler som nano-imprinting, bliver allerede brugt i forbindelse med polymerer, for eksempel ved fremstilling af plastchips, som omfatter mikroskopiske kanaler og andre strukturer. Prægning eller prægning af metal er i princippet heller ikke noget nyt, men det er kun nogensinde blevet brugt i langt større skalaer til dato til ting som at præge mønter. Ifølge Durst:"Vi er lige ved begyndelsen af ​​nano-imprinting af metalliske overflader, og ser stadig på de grundlæggende principper for denne teknologi".

Hårde og fint strukturerede stempler

Det første skridt er udviklingen af ​​passende hårde og fint strukturerede frimærker. Doktoranden Braun er allerede lykkedes med at skabe flere af disse ved at omformulere diamantspidserne på en nano-indrykker, til dette formål rejste han til Brno i Tjekkiet for at mødes med mikroskopproducenten Tescan, der har udviklet en særlig ionstråle -teknologi. Dette bruges normalt til forberedelse af prøver til undersøgelse ved elektronmikroskopi. Braun, på den anden side, brugte den fokuserede ionstråle til at skære toppen af ​​diamantsonden af, at skære en søjle ud af resterne af diamanten, og fræse det ønskede mønster ind i dets øverste overflade. Efter sidste ionstrålepolering, frimærket var klar til brug.

Det næste spørgsmål er:hvilke egenskaber skal et stykke metal have, så det præcist danner den ønskede overfladestruktur. Som enhver Spekulatius -bager ved, kiksens succes afhænger af dejens konsistens. Det samme gør sig gældende, i princippet, til nano-imprinting-processen:metallets mikrostruktur skal være helt rigtig for at sikre, at det "flyder" godt ind i formen. Forskerne i Darmstadt ønsker at kunne præge strukturer på kun 50 nanometer – det er omkring 1500 gange tyndere end et menneskehår! Problemet:ethvert metal eller enhver legering vil bestå af et væld af små, tætpakket korn. For de fleste konventionelle metaller og legeringer måler diameteren af ​​disse korn et godt stykke over 1000 nanometer. Det betyder, imidlertid, at konventionelle kornstørrelser vil modstå at blive presset ind i frimærkets form på grund af deres store kornstørrelse. Det er derfor, Durst og hans kolleger forsker i produktionen af ​​mere finkornede metaller, som vil passe perfekt ind i frimærkernes hulrum.