Atomblæsning skaber nye enheder til at måle nanopartikler

Som sandblæsning på nanometer skala, fokuserede stråler af ioner fjerner hårde materialer for at danne indviklede tredimensionelle mønstre. Bjælkerne kan skabe små træk i de laterale dimensioner - længde og bredde, men for at skabe den næste generation af enheder i nanometerskala, de energiske ioner skal præcist kontrollere funktionerne i den lodrette dimension - dybden. Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har påvist, at en standard ion-stråle teknik kan finjusteres til at lave strukturer med dybder kontrolleret til inden for diameteren af ​​et enkelt silicium atom.

Ved at drage fordel af den nyligt demonstrerede præcision, NIST-holdet brugte denne standardbearbejdningsteknik til at fremstille enheder, der tillader præcis måling af størrelsen af ​​nanopartikler i en væske. De nanofluidiske enheder, som har potentiale til masseproduktion, kunne blive en ny laboratoriestandard til bestemmelse af nanopartikelstørrelse. Sådanne målinger kunne fremskynde kvalitetskontrol i industrielle anvendelser af nanopartikler.

"Vi har testet og avanceret, hvad der er muligt at lave og måle under en nanometer, " sagde NIST-forsker Samuel Stavis. Han og hans kolleger fra NIST og Maryland NanoCenter ved University of Maryland i College Park rapporterede deres resultater i et nyligt nummer af Lab on a Chip .

Selvom ingeniører i årevis har brugt ionstråler til at reparere defekter i integrerede kredsløb og bearbejde små dele i optiske og mekaniske systemer, disse applikationer krævede ikke den dybdekontrol, som teamet nu har rapporteret.

For at realisere det fulde potentiale af processen, holdet undersøgte flere måder at bruge en fokuseret stråle af galliumioner til at fræse overfladerne af silicium, siliciumnitrid og siliciumdioxid - materialer, der er almindelige til fremstilling af enheder i nanoskala, der bruges i elektronik, optik og mekanik. Forskerne brugte et atomkraftmikroskop, som har en følsom sonde til at måle dybden af ​​topografien dannet af ionstrålen. Omhyggelige målinger var vigtige for at teste grænserne for ionstråleteknikken. Faciliteterne på NIST gjorde det muligt for teamet at påtage sig begge opgaver - præcisionsfremstilling og præcisionsmåling.

Holdet anvendte den nye evne til at forbedre målingen af ​​størrelsen af ​​nanopartikler. Ved hjælp af en galliumionstråle, forskerne bearbejdede trappemønstre i siliciumdioxid og lukkede dem derefter for at kontrollere væskestrømmen på nanoskala. I nogle enheder, forskerne bearbejdede en trappe med en trinstørrelse på 1,1 nanometer; de bearbejdede andre med en trinstørrelse på 0,6 nanometer - blot nogle få atomer i dybden.

Trappemønstrets trin adskilte præcist nanopartikler nedsænket i vand efter deres størrelse. Nanopartikler strømmede ind til det dybeste trin i bunden af ​​trappen, men kun de mindre kunne stige op mod det laveste trin øverst; større nanopartikler kunne ikke passe igennem og forblive fanget ved det nederste sæt af trin. Fluorescerende farvestof i nanopartiklerne gjorde det muligt for holdet at registrere deres placering med et optisk mikroskop og matche denne placering til den kendte dybde af trappen.

Sammenligning af nanopartikelstørrelserne angivet ved denne metode med størrelserne målt ved hjælp af elektronmikroskopi afslørede en match, der var nøjagtig inden for en nanometer. Denne gode overensstemmelse mellem de forskellige målinger tyder på, at anordningerne ikke kun kan tjene som en partikelseparator, men som et referencemateriale til måling af størrelsen af ​​nanopartikler.

Producenter, der rutinemæssigt udfører kvalitetskontrol på nanopartikler – bestemmer ikke kun deres gennemsnitlige størrelse, men hvor mange af nanopartiklerne, der er lidt mindre eller større end gennemsnittet fra batch til batch – kunne drage fordel af den nye teknik. De nyfremstillede enheder, i kombination med et billigt optisk mikroskop til at lokalisere nanopartiklernes placering, tilbyde en potentielt hurtigere og mere økonomisk rute end andre måleteknikker, Stavis bemærkede. Holdet er nu i gang med at undersøge, hvordan enhederne kan fungere som masterforme til masseproduktion af billige replikaer.

Fordi nanopartiklerne blev målt med et optisk mikroskop, NIST-holdet kunne også udforske forholdet mellem størrelsen af ​​nanopartikler og en anden nøgleegenskab - deres lysstyrke. At præcisere dette forhold er vigtigt for at forstå egenskaberne af sådanne nanopartikler som kvanteprikker til farveskærme, guld nanopartikler til biomedicinske sensorer, og andre nanopartikler til lægemiddellevering.

Holdet detaljerede deres proces, så forskere ved NIST let kan drage fordel af og tilpasse processen til deres eget arbejde. Flere kunder af NISTs nanoteknologibrugerfacilitet, Center for Nanoskala Videnskab og Teknologi, hvor arbejdet er udført, har udtrykt interesse for at tilpasse teknologien til at måle både størrelsen og lysstyrken af ​​nanopartikler i disse forbrugerprodukter.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.