Lille supersonisk jet-injektor fremskynder fremstilling af additiv i nanoskala

Ved at aktivere forstadiemolekyler ved hjælp af en lille, højenergi supersonisk stråle af inert gas, forskere har dramatisk fremskyndet fremstillingen af ​​strukturer i nanometerskala. Den hurtige additive fremstillingsteknik giver dem også mulighed for at producere strukturer med høje aspektforhold. Nu, en teori udviklet til at beskrive teknikken kunne føre til nye applikationer til additiv nanofremstilling og nye materialer i nanoskala.

Baseret på fokuseret elektronstråleaflejring, Teknikken gør det muligt at fremstille strukturer ud fra gasfaseprækursorer med hastigheder, der nærmer sig, hvad der kunne forventes i væskefasen - alt sammen uden at hæve temperaturen på substraterne. Det kunne føre til fremstilling af strukturer i nanometerskala med hastigheder, der kunne gøre dem praktiske til brug i magnetisk hukommelse, højfrekvente antenner, kvantekommunikationsenheder, spintronik og resonatorer i atomskala.

"Vi kontrollerer stof på atomær skala for at skabe nye former for additiv fremstilling, " sagde Andrei Fedorov, en professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Denne nye videnskab kunne skabe additive fremstillingsapplikationer, som ellers kunne være umulige. Den resulterende nye teknologi vil åbne op for nye dimensioner for additiv fremstilling på atomær skala."

Arbejdet voksede ud af frustration over at forsøge at skabe små strukturer ved hjælp af elektronstrålerne, som kun kan være et par nanometer i diameter. Forskningen blev støttet af US Department of Energy's Office of Science, og blev rapporteret 28. maj i journalen Fysisk kemi Kemisk fysik .

"Da vi gik til laboratoriet for at bruge nanofabrikation med fokuserede elektronstråler, som er på størrelse med nogle få nanometer, vi kunne ikke dyrke strukturer, der kun var nogle få nanometer. De voksede til at være 50 eller 100 nanometer, " Forklarede Fedorov. "Og det tog også lang tid at producere strukturerne, hvilket betød, uden forbedringer, vi ville aldrig være i stand til at producere dem i høj volumen."

Fedorov og samarbejdspartnere Matthew Henry og Songkil Kim indså, at reaktionerne, der producerede strukturerne, var langsomme, og bundet til den termodynamiske tilstand af substratet, hvorpå de dyrkes. De besluttede at tilføje noget energi til processen for at fremskynde tingene - så meget som hundrede gange hurtigere.

Resultatet var opfindelsen af ​​en mikrokapillærinjektor med kun få mikrometer i diameter, der kunne introducere små stråler af gasformige molekyler i aflejringskammeret for at aktivere forstadierne til strukturerne i nanometerskalaen. Dels fordi strålen trænger ind i et vakuumkammer, gassen accelererer til supersoniske hastigheder. Energi fra den supersoniske jet exciterer precursor-molekylerne, der adsorberes til substratet.

"Denne energiske termiske tilstand gør det muligt for elektronerne fra strålen meget lettere at bryde kemiske bindinger, og som et resultat, strukturer vokser meget hurtigere, " sagde Fedorov. "Al denne forstærkning, både molekyletransport og reaktionshastighed, er eksponentielle, hvilket betyder, at en lille ændring kan føre til en dramatisk stigning i resultatet."

Så meget er blevet observeret eksperimentelt, men for at forstå, hvordan man styrer processen og udvider dens applikationer, forskerne ville skabe en teori for det, de så. De brugte termometriske teknikker i nanoskala til at måle temperaturen på de adsorberede atomer - også kendt som adatomer - udsat for strålen, og brugte den information til at hjælpe med at forstå den grundlæggende fysik på arbejdet.

"Når vi har en model, det bliver i bund og grund et designværktøj, " sagde Fedorov. "Med denne forståelse og de evner, vi har demonstreret, vi kan udvide dem til andre områder såsom rettet selvsamling, epitaksial vækst og andre områder. Dette kunne gøre det muligt for en lang række nye muligheder at bruge denne form for direct-write nanofabrikation."

Udvikling af modellen og forståelse af de første principper i fysikken bag den kunne også give andre forskere mulighed for at finde nye anvendelser.

"Med dette, du kan have næsten samme størrelsesordensvæksthastighed, som du ville have med væskefaseprækursorer, men stadig have adgang til rigdommen af ​​mulige forstadier, evnen til at manipulere legering, og al den erfaring, der er blevet udviklet gennem årene med gasfasedeponering, " sagde Fedorov. "Denne teknologi vil give os mulighed for at gøre ting i en skala, der er meningsfuld fra et praktisk synspunkt og omkostningseffektiv."

Evnen til hurtigt at producere små, tredimensionelle strukturer kan åbne op for en række nye applikationer.

"Hvis du kan tilpasse additive direct-write-teknikker, dette kunne bringe en masse unikke muligheder for magnetisk hukommelse, superledende materialer, kvanteudstyr, 3-D elektroniske kredsløb, og mange flere ting, " sagde han. "Disse strukturer er i øjeblikket meget svære at lave ved hjælp af konventionelle metoder."

Ud over at bruge dyserne til at fremskynde aflejring af prækursormaterialer, der allerede er på substratet, forskerne har også skabt hybridjetfly, der indeholder både højenergi inert gas og forløbergasser, som ikke kun tillader dramatisk acceleration af nanostrukturvækst, men også præcist kontrollerer materialesammensætningen under vækst. I det fremtidige arbejde, forskerne planlægger at bruge disse hybride tilgange til at muliggøre dannelse af nanostrukturer med fase og topologi, som ikke kan opnås med nogen eksisterende nanofabrikationsteknikker.