E-beam 3D ‘sculpting’ op atomaire schaal zou nieuwe kwantum-nanodevices mogelijk kunnen maken

Door de energie en dosis van strak gefocusseerde elektronenbundels te variëren, hebben onderzoekers het vermogen aangetoond om zowel patronen op nanoschaal met hoge resolutie weg te etsen als af te zetten op tweedimensionale lagen grafeenoxide. Het 3D-additieve / subtractieve “beeldhouwen” kan worden gedaan zonder de chemie van de elektronenstraalafzettingskamer te veranderen, wat de basis vormt voor het bouwen van een nieuwe generatie structuren op nanoschaal.

Gebaseerd op FEBID-technieken (gefocuste elektronenbundel-geïnduceerde verwerking), zou het werk de productie mogelijk kunnen maken van 2-D / 3-D complexe nanostructuren en functionele nanodevices die bruikbaar zijn in kwantumcommunicatie, detectie en andere toepassingen. Voor zuurstofhoudende materialen zoals grafeenoxide, kan etsen worden gedaan zonder externe materialen te introduceren, met behulp van zuurstof uit het substraat.

“Door de energie van de elektronenstraal te timen en af ​​te stemmen, kunnen we de interactie van de straal met zuurstof in het grafeenoxide activeren om te etsen, of interactie met koolwaterstoffen op het oppervlak om koolstofafzetting te creëren”, aldus Andrei Fedorov, professor en Rae S. . en Frank H. Neely Leerstoel aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. “Met controle op atomaire schaal kunnen we gecompliceerde patronen produceren met behulp van directe schrijf-verwijderingsprocessen. Kwantumsystemen vereisen nauwkeurige controle op atomaire schaal, en dit zou een groot aantal potentiële toepassingen mogelijk maken.”

De techniek werd op 7 augustus beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces. Het werk werd ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, Basic Energy Sciences. Co-auteurs waren onder meer onderzoekers van de Pusan ​​National University in Zuid-Korea.

Het creëren van structuren op nanoschaal wordt traditioneel gedaan met behulp van een meerstaps proces van fotolakcoating en patroonvorming door middel van foto- of elektronenbundellithografie, gevolgd door bulk droog / nat etsen of afzetting. Het gebruik van dit proces beperkt het bereik van functionaliteiten en structurele topologieën die kunnen worden bereikt, verhoogt de complexiteit en kosten, en riskeert besmetting door de meerdere chemische stappen, waardoor barrières ontstaan ​​voor de fabricage van nieuwe soorten apparaten uit gevoelige 2D-materialen.

FEBIP maakt een materiaalchemie / locatiespecifieke, multimode atomaire schaalverwerking met hoge resolutie mogelijk en biedt ongekende mogelijkheden voor “direct-write”, eenstaps oppervlaktepatroonvorming van 2-D nanomaterialen met een in-situ beeldvormingsvermogen. Het maakt het mogelijk om een ​​snelle multischaal / multimode “top-down en bottom-up” -benadering te realiseren, gaande van een manipulatie op atomaire schaal tot een oppervlaktemodificatie op grote schaal op nano- en microschaal.

“Door de tijd en de energie van de elektronen af ​​te stemmen, kun je materiaal verwijderen of toevoegen”, zei Fedorov. “We hadden niet verwacht dat we bij elektronenblootstelling van grafeenoxide patronen zouden gaan etsen.”

Met grafeenoxide introduceert de elektronenstraal verstoringen op atomaire schaal in de 2-D-gerangschikte koolstofatomen en gebruikt ingebedde zuurstof als etsmiddel om koolstofatomen in precieze patronen te verwijderen zonder dat er een materiaal in de reactiekamer komt. Fedorov zei dat elk zuurstofhoudend materiaal hetzelfde effect kan hebben. “Het is alsof het grafeenoxide zijn eigen etsmiddel draagt”, zei hij. “Alles wat we nodig hebben om het te activeren, is de reactie te ‘zaaien’ met elektronen van de juiste energie.”

Voor het toevoegen van koolstof genereert het langer op dezelfde plek gefocust houden van de elektronenbundel een overmaat aan elektronen met lagere energie door interacties van de bundel met het substraat om de koolwaterstofmoleculen op het oppervlak van het grafeenoxide te ontleden. In dat geval interageren de elektronen met de koolwaterstoffen in plaats van met de grafeen- en zuurstofatomen, waardoor vrijgekomen koolstofatomen achterblijven als een 3D-afzetting.

“Afhankelijk van hoeveel elektronen je eraan toevoegt, kun je structuren van verschillende hoogten laten groeien, weg van de geëtste groeven of van het tweedimensionale vlak”, zei hij. “Je kunt het bijna zien als holografisch schrijven met opgewonden elektronen, substraat en geadsorbeerde moleculen gecombineerd op het juiste moment en op de juiste plaats.”

Het proces moet geschikt zijn voor het deponeren van materialen zoals metalen en halfgeleiders, hoewel precursoren aan de kamer moeten worden toegevoegd om ze te maken. De 3D-structuren, slechts nanometer hoog, zouden kunnen dienen als afstandhouders tussen lagen grafeen of als actieve detectie-elementen of andere apparaten op de lagen.

“Als je grafeen of grafeenoxide wilt gebruiken voor kwantummechanische apparaten, zou je in staat moeten zijn om materiaallagen te positioneren met een scheiding op de schaal van individuele koolstofatomen”, zei Fedorov. “Het proces kan ook worden gebruikt met andere materialen.”

Met behulp van de techniek kunnen hoogenergetische elektronenbundels kenmerken produceren die slechts enkele nanometers breed zijn. Geulen die in oppervlakken zijn geëtst, kunnen met metalen worden gevuld door metaalatomen te introduceren die voorlopers bevatten.

Naast eenvoudige patronen kan het proces ook worden gebruikt om complexe structuren te laten groeien. “In principe zou je een structuur kunnen laten groeien als een Eiffeltoren op nanoschaal met alle ingewikkelde details”, zei Fedorov. “Het zou lang duren, maar dit is het niveau van controle dat mogelijk is met schrijven met elektronenbundels.”

Hoewel systemen zijn gebouwd om meerdere elektronenbundels parallel te gebruiken, ziet Fedorov ze niet worden gebruikt in toepassingen met grote volumes. Waarschijnlijker, zei hij, is laboratoriumgebruik om unieke structuren te fabriceren die nuttig zijn voor onderzoeksdoeleinden.

“We demonstreren structuren die anders onmogelijk te produceren zouden zijn”, zei hij. “We willen de exploitatie mogelijk maken van nieuwe mogelijkheden op gebieden zoals kwantumapparatuur. Deze techniek zou een verbeeldingskracht kunnen zijn voor interessante nieuwe fysica die op ons afkomt met grafeen en andere interessante materialen.”