E-beam atom-skala 3-D skulptur kunne muliggøre nye kvante nanoenheder

Ved at variere energien og dosen af ​​tæt fokuserede elektronstråler, forskere har demonstreret evnen til både at ætse væk og afsætte højopløselige nanoskalamønstre på todimensionelle lag af grafenoxid. Den 3-D additive/subtraktive "skulptur" kan udføres uden at ændre kemien i elektronstråleaflejringskammeret, danner grundlaget for at bygge en ny generation af strukturer i nanoskala.

Baseret på fokuseret elektronstråle-induceret behandling (FEBID) teknikker, arbejdet kunne tillade produktion af 2-D/3-D komplekse nanostrukturer og funktionelle nanoenheder, der er nyttige i kvantekommunikation, sansning, og andre applikationer. Til oxygenholdige materialer såsom grafenoxid, ætsning kan udføres uden at indføre eksterne materialer, ved at bruge ilt fra underlaget.

"Ved timing og tuning af energien i elektronstrålen, vi kan aktivere interaktion af strålen med oxygen i grafenoxidet for at udføre ætsning, eller interaktion med kulbrinter på overfladen for at skabe kulstofaflejring, " sagde Andrei Fedorov, professor og Rae S. og Frank H. Neely er formand for George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Med kontrol på atomare skala, vi kan producere komplicerede mønstre ved hjælp af direkte skrive-fjerne-processer. Kvantesystemer kræver præcis kontrol på atomskala, og dette kunne muliggøre et væld af potentielle applikationer."

Teknikken blev beskrevet 7. august i journalen ACS anvendte materialer og grænseflader . Arbejdet blev støttet af US Department of Energy Office of Science, Grundlæggende energividenskab. Medforfattere omfattede forskere fra Pusan ​​National University i Sydkorea.

Oprettelse af nanoskalastrukturer udføres traditionelt ved hjælp af en flertrinsproces med fotoresistbelægning og mønstre ved foto- eller elektronstrålelitografi, efterfulgt af bulk tør/våd ætsning eller deponering. Brug af denne proces begrænser rækken af ​​funktionaliteter og strukturelle topologier, der kan opnås, øger kompleksiteten og omkostningerne, og risikerer kontaminering fra de mange kemiske trin, skabe barrierer for fremstilling af nye typer enheder fra følsomme 2-D materialer.

FEBIP muliggør en materialekemi/stedspecifik, høj opløsning multimode atomisk skalabehandling og giver hidtil usete muligheder for "direct-write, " enkelt-trins overflademønster af 2-D nanomaterialer med en in-situ billeddannelseskapacitet. Det giver mulighed for at realisere en hurtig multiskala/multimode "top-down og bottom-up" tilgang, lige fra manipulation af atomare skala til en overflademodifikation med stort område på nano- og mikroskala.

"Ved at indstille elektronernes tid og energi, du kan enten fjerne materiale eller tilføje materiale, " sagde Fedorov. "Vi forventede ikke, at vi ved elektroneksponering af grafenoxid ville begynde at ætse mønstre."

Med grafenoxid, elektronstrålen introducerer forstyrrelser i atomskala i de 2-D-arrangerede carbonatomer og bruger indlejret oxygen som et ætsemiddel til at fjerne carbonatomer i præcise mønstre uden indføring af et materiale i reaktionskammeret. Fedorov sagde, at ethvert iltholdigt materiale kunne give den samme effekt. "Det er som om grafenoxiden bærer sit eget ætsemiddel, " sagde han. "Alt, vi behøver for at aktivere det, er at 'seed' reaktionen med elektroner med passende energi."

For at tilføje kulstof, at holde elektronstrålen fokuseret på det samme sted i længere tid genererer et overskud af lavere energielektroner ved interaktioner af strålen med substratet for at nedbryde kulbrintemolekylerne på overfladen af ​​grafenoxidet. I det tilfælde, elektronerne interagerer med kulbrinterne frem for grafen- og oxygenatomerne, efterlader frigjorte kulstofatomer som en 3D-aflejring.

"Afhængigt af hvor mange elektroner du bringer til det, du kan dyrke strukturer i forskellige højder væk fra de ætsede riller eller fra det todimensionelle plan, " sagde han. "Du kan næsten tænke på det som holografisk skrift med ophidsede elektroner, substrat og adsorberede molekyler kombineret på det rigtige tidspunkt og det rigtige sted."

Processen skal være egnet til aflejring af materialer som metaller og halvledere, selvom prækursorer skal tilføjes til kammeret for deres oprettelse. 3-D strukturer, kun nanometer høj, kunne tjene som afstandsstykker mellem lag af grafen eller som aktive føleelementer eller andre enheder på lagene.

"Hvis du vil bruge grafen eller grafenoxid til kvantemekaniske enheder, du skal være i stand til at placere lag af materiale med en adskillelse på skalaen af ​​individuelle kulstofatomer, " sagde Fedorov. "Processen kan også bruges sammen med andre materialer."

Ved hjælp af teknikken, højenergielektronstråler kan producere funktionsstørrelser på blot et par nanometer brede. Skyttegrave ætset i overflader kunne fyldes med metaller ved at indføre metalatomer indeholdende forstadier.

Ud over simple mønstre, processen kan også bruges til at dyrke komplekse strukturer. "I princippet, du kunne dyrke en struktur som et Eiffeltårn i nanoskala med alle de indviklede detaljer, " sagde Fedorov. "Det ville tage lang tid, men dette er niveauet af kontrol, der er muligt med elektronstråleskrivning."

Selvom systemer er blevet bygget til at bruge flere elektronstråler parallelt, Fedorov kan ikke se, at de bliver brugt i store applikationer. Mere sandsynligt, han sagde, er laboratoriebrug til at fremstille unikke strukturer, der er nyttige til forskningsformål.

"Vi demonstrerer strukturer, som ellers ville være umulige at producere, " sagde han. "Vi ønsker at muliggøre udnyttelsen af ​​nye muligheder inden for områder som kvanteenheder. Denne teknik kunne være en fantasi, der muliggør interessant ny fysik, der kommer vores vej med grafen og andre interessante materialer."