Generering af selvpakkede flydende metal-nanomønstre i høj opløsning

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Matter, Licong An og et team af forskere inden for materialeteknik, industriteknik og nanoteknologicentret ved Purdue University, USA og Wuhan University, Kina, beskrev en avanceret laserlitografimetode. Teknikken lettede dannelsen af ​​elektronisk selvbeskyttende flydende metalmønstre med funktionsstørrelser i sub-mikroskalaen, for at danne et af metaloverflademønstre med højeste opløsning til dato. Den unikke struktur og robuste mønstre tilbød elektrisk funktionalitet på trods af ydre skader. Sådanne højopløselige, elektriske, selvbeskyttende materialer er velegnede til næste generations nanoapplikationer.

Introduktion af en ny metode:Pulserende laserlitografi (PLL)

Området med højdensitetselektronik er af stor betydning inden for materialeteknik og er velegnet til at danne højdensitetsmønstre for integreret elektronik i barske miljøer. Materialer og industrielle forskere har brugt stuetemperatur gallium indium (EGaIn) til at udvikle højdensitetsmønstre på grund af deres særskilte egenskaber, herunder høj fluiditet, høj elektrisk ledningsevne og høj deformerbarhed. Forskningsindsatsen for at udvikle flydende metalmønstre i høj opløsning er baseret på litografisk mønster, blandt en bred vifte af metoder, med bred appel i elektroniske applikationer på tværs af flydende metalbatterier, mikrofluidik og energihøstudstyr.

I dette arbejde beskrev primærforfatter og forskningsmedarbejder Licong An, som i øjeblikket er ved afdelingen for materialeingeniør ved Purdue University, metoden som en "praktisk og skalerbar teknik til at fremstille selvpakkede flydende metalmønstre med høj opløsning." Holdet har til hensigt "praktisk at integrere elektriske chips til brug i barske miljøer." Forskerne introducerede primært den pulserende laserlitografimetode i dette arbejde for at udvikle 3D flydende metalmønstre med opløsning på submikronniveau, beskyttet via en mekanisk stabil oxidpakkeskal. Licong An fremhævede betydningen af ​​denne tilgang:"For første gang kan et-trins litografimetoden bruges direkte til at mønstre flydende metal," sagde han.

Han definerede yderligere de praktiske implikationer af metoden "på grund af den høje overfladespænding og flydende mønstre, sammenlignet med traditionel litografimønster. Dette er første gang, at en litografimetode bruges til direkte at mønstre flydende metaller." Arbejdet beskrevet her er derfor "et første forsøg på at introducere avanceret laserlitografi som en et-trins proces til direkte at generere højeffektive flydende metalmønstre," sagde han.

Eksperimenterne:Udvikling af flydende metal nanopartikler (LMNP)

Forskerholdet opsummerede metoden til at udvikle flydende metalmønstre med høj opløsning i fire trin. Først sprøjtede de en flydende metal nanopartikel (LMNP) på et substrat for at danne en LMNP tynd film. Derefter fokuserede den pulserede laserstråle på den tynde filmoverflade, hvor incidensstrålen spredte sig på grund af dens overfladenanostruktur, efterfulgt af ablation af LMNP'erne og substratet, hvor den maksimale energiintensitet nåede en ablationstærskel. Det laser-inducerede stød virkede som et klem for at generere tryk på de flydende metalpartikler, og holdet brugte laserenergi som hovedparameter til at kontrollere dannelsen af ​​højopløselige mønstre. Holdet regulerede den ultrahurtige opvarmnings- og afkølingshastighed med laser for at generere et 3D ensartet oxidlag på den øverste overflade af 3D-arkitekturen, med forstærket mekanisk stabilitet, for høj stabilitet i lyset af udvendige skader.

Licong An understregede dette arbejde som "et af de flydende metalmønstre med højeste opløsning til dato," og sagde:"Højopløselige flydende metalmønstre bibeholdt trækstørrelser så små som 0,5 µm, med 0,5 µm linjeafstand for at danne et af de højeste opløsning flydende metal mønstre til dato på sub-mikron skala."

Syntesen af ​​flydende metalnanopartikler (LMNP'er)

Forskerholdet udviklede de flydende metal nanopartikler, ifølge tidligere rapporter, ved ultralydsdispergering af bulk EGaIn-legering i ethanol for at danne LMNP'er via molekylær selvsamling med en gennemsnitlig diameter på omkring 200 nm. Et tyndt oxidlag dannes også typisk hurtigt under sonikeringsprocessen for at holde metalpartiklerne i sfæriske former. An et al. sprøjtebehandlede de som forberedte LMNP'er på et siliciumbaseret substrat for at danne en tynd film af nanopartikler og holdt tyndfilmen ikke-ledende, mens du brugte en fiberlaserkilde til at producere nanopartiklerne. Licong An fremhævede mekanismen i den avancerede laserlitografiteknik, "metoden kunne inducere et højt lasertryk, til at fungere som et klemstød for at generere tryk på de flydende metalpartikler." Han fortsatte, "når presset går forbi, ekstruderes 200 nm-partiklerne til en 20 nm robust oxidskal, der fungerer som en robust pakke til at beskytte de flydende metalmønstre nedenunder mod at blive beskadiget."

Forskerne bekræftede dannelsen af ​​laserinducerede periodiske flydende metalmønstre via energidispersive røntgenspektroskopimetoder og elementærkortlægninger for at vise tilstedeværelsen af ​​silicium, gallium og oxid med flydende metal præget på det underliggende substrat. Den banebrydende laserteknik brød også laserens optiske grænse. Licong An sagde:"Alle ved, at der er en direkte sammenhæng mellem opløsningen af ​​det flydende metalmønster og størrelsen på bearbejdningsværktøjet, vores banebrydende laserlitografi brød denne almindelige viden og genererede mønstre med opløsning under mikron for første gang."

Han mener, at "mønstrene kunne nå en meget højere kalibrering, hvis der bruges en laser med en mindre bølgelængde." Holdet simulerede også dannelsen af ​​nanomønstre og understregede den et-trins proces med direkte flydende metalmønsteraflejring; et andet væsentligt træk ved undersøgelsen. De kombinerede en række eksperimentelle metoder for at karakterisere den proprietære elementære sammensætning af oxidpakningsskallen, der dækker de flydende metal nanomønstre med forstærkede mekaniske egenskaber - sammenlignet med allerede eksisterende konventionelle metoder til generering af flydende metalmønstre.

På denne måde udviklede Licong An og kolleger elektronisk selvbeskyttende flydende metalmønstre med høj opløsning via en pulseret laserlitografi (PLL) metode for at skabe et af de flydende metalmønstre med højeste opløsning til dato. Teamet forestiller sig anvendelser af det nye materiale i næste generations nanoskala-praksis, med høj integrationstæthed, velegnet til krævende applikationer. Forskerholdet bestod af nøglesamarbejder mellem den primære forfatter og forskningsstipendiat Licong An og tværfaglige kolleger, herunder professor Gary J. Cheng, en fellow fra American Association for the Advancement of Science. + Udforsk yderligere

Spændingsdrevne flydende metalfraktaler

© 2022 Science X Network