Forskere skærer mønstre i nanometerstørrelse i 2D-materialer

EPFL-forskere har udviklet en højpræcisionsteknologi, der gør dem i stand til at skære nanometriske mønstre ind i todimensionelle materialer.

Med deres banebrydende nanoteknologi, EPFL-forskere har opnået det umulige. De kan nu bruge varme til at bryde forbindelserne mellem atomer med en miniatureskalpel. "Det er ekstremt svært at strukturere 2D-materialer ved hjælp af konventionel litografi, som ofte anvender aggressive kemikalier eller accelererede, elektrisk ladede partikler, som elektroner eller ioner, som kan skade materialets egenskaber, " siger Xia Liu, forsker og postdoc i Ingeniørhøjskolens Mikrosystemlaboratorium. "Vores teknik, imidlertid, bruger en lokaliseret varme- og trykkilde til nøjagtigt at skære ind i 2D-materialerne."

"Vores teknologi ligner kunsten at skære papir, som er almindeligt i denne region i Schweiz, men i meget mindre skala, " forklarer Ana Conde Rubio, medforfatter til undersøgelsen. "Vi bruger varme til at modificere underlaget og gøre det mere fleksibelt og, i nogle tilfælde, endda gøre det til en gas. Så kan vi lettere skære ind i 2D-materialet."

En skarp spids

Xia Liu, Samuel Howell, Ana Conde Rubio, Giovanni Boero og Jürgen Brugger brugte molybdæn ditellurid (MoTe ₂ ), et 2-D materiale, der ligner grafen. Det er mindre end en nanometer - eller tre lag af atomer - tykt. MoTe ₂ er placeret på en polymer, der reagerer på ændringer i temperatur. "Når polymeren udsættes for varme, det sublimerer, hvilket betyder, at det går fra fast til gasform, " forklarer Liu.

Forskerne fra Institute of Microengineering brugte en ny nanoskala struktureringsteknik kaldet termisk scanning probe litografi (t-SPL), som virker på samme måde som et atomkraftmikroskop. De opvarmer en skarp spids i nanostørrelse til mere end 180°C, bring det i kontakt med 2-D-materialet og anvend en smule kraft. Dette får polymeren til at sublimere. Et tyndt lag MoTe2 brækker derefter af uden at beskadige resten af ​​materialet.

Små og mere effektive komponenter

Forskerne vil være i stand til at bruge denne teknologi til at skære ekstremt nøjagtige mønstre i 2-D materialer. "Vi bruger et computerdrevet system til at styre den ultrahurtige opvarmnings- og afkølingsproces og spidsens placering, " forklarer Samuel Howell, en anden medforfatter. "Dette gør det muligt for os at lave foruddefinerede indrykninger for at skabe, for eksempel, de nanobånd, der bruges i nanoelektroniske enheder."

Men hvad er så nyttigt ved at arbejde i så lille skala? "Mange 2D-materialer er halvledere og kan integreres i elektroniske enheder, " siger Liu. "Denne generiske teknologi vil være meget nyttig i nanoelektronik, nanofotonik og nanobioteknologi, da det vil være med til at gøre elektroniske komponenter mindre og mere effektive."

Forbedring af nøjagtigheden

Den næste fase af forskningen vil fokusere på at se på en bredere vifte af materialer og finde kombinationer, der vil fungere i integrerede nanosystemer. Fremtidige aktiviteter vil også gense designet af cantilever og nanotip for forbedret nano-skæring.

Mere bredt, forskerne i Microsystems Laboratory søger at udvikle en ny generation af fremstillingsteknikker til fleksible mikrosystemer. "Polymerbaserede mikroelektromekaniske systemer (MEMS) har en masse potentielle elektroniske og biomedicinske anvendelser, " forklarer prof. Jürgen Brugger. "Men vi er stadig i de tidlige stadier af udvikling af teknikker til at designe funktionelle polymerer i 3-D mikrosystemer." Brugger håber at kunne rykke grænserne og finde nye materialer og processer til MEMS ved at fokusere på stencilen , udskrivningsprocessen, rettet selvsamling af nanomaterialer, og lokaliseret termisk behandling.