Elektronenstraalmethode maakt nauwkeurige nanoschaalsnijwerk en het bouwen van koperstructuren mogelijk

Het creëren van complexe structuren op de kleinste schalen is al lang een uitdaging voor ingenieurs. Maar nieuw onderzoek van Georgia Tech laat zien hoe elektronenstralen, al veel worden gebruikt in beeldvorming en fabricage, ook kunnen worden gebruikt als ultra-nauwkeurige tools om zowel structuren als koper te snijden als te bouwen van materialen zoals koper.

De onderzoeksgroep van professor Andrei Fedorov aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering heeft een techniek ontdekt die gerichte elektronenstralen in een vloeibare omgeving gebruikt om koper te verwijderen of af te zetten, afhankelijk van de omliggende chemie.

Door de hoeveelheid ammoniak in de oplossing te tunen, konden de onderzoekers bepalen of de bundel het materiaal heeft weggeleefd of het afgezette, waardoor 3D -beeldhouwen op atoomniveau effectief toestond.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen.

Een tweerichtingsstraat

Elektronenstraalmethoden worden meestal gebruikt om materiaal te verwijderen of toe te voegen, maar niet beide. In deze studie hebben de onderzoekers een proces ontwikkeld dat, of zelfs beide, in volgorde, met dezelfde opstelling kan.

In experimenten concentreerden ze een elektronenstraal op koper ondergedompeld in een water-amonia-oplossing. Met lage ammoniakconcentraties heeft de bundel smalle greppels geëtst, slechts 50 nanometer diep, ongeveer 2000 keer dunner dan een vel papier.

Na verloop van tijd begonnen koperatomen te worden verwijderd in het etsenproces in de loopgraven opnieuw af te zetten, waardoor kleine verticale structuren zoals pieken in valleien werden gevormd. Door de blootstellingstijd en het aantal elektronen te regelen dat het materiaal raakt, konden kleinere of grotere patronen en structuren worden gecreëerd.

Toen het team de ammoniakconcentratie verhoogde, veranderde de chemie. De omgeving werd meer verminderd, wat de opbouw van koper bevordert in plaats van de verwijdering ervan. In dit geval fungeerde de balk als een gids en regisseerde het waar koper werd afgezet om ingewikkelde nanostructuren te vormen.

Ammoniak als schakelaar

De sleutel tot deze precieze controle ligt in de rol die Ammoniak speelt in de vloeibare oplossing.

“Ammoniak doet verschillende belangrijke dingen. Het helpt koperatomen in oplossing te dragen, neutraliseert ongewenste reacties en maakt het milieu gunstiger voor het bouwen in plaats van etsen,” zei Auwais Ahmed, hoofdauteur in de studie en Ph.D. student aan de Woodruff School.

Door de ammoniakconcentratie en de blootstelling aan elektronenstraal zorgvuldig aan te passen, was het team in staat om de vorm en structuur van het koperoppervlak met nanometer-precisie te verfijnen. Ze ontwikkelden ook modellen en voerden simulaties uit om beter te begrijpen hoe deze chemische veranderingen het gedrag van het koper beïnvloeden.

“Wat opwindend is, is dat we niet alleen bouwen of verwijderen – we zijn in realtime dynamisch overstappen tussen die modi,” zei Fedorov.

Kleine tools voor grote impact

Het vermogen om oppervlakken op atoomniveau te vormen, heeft brede implicaties voor toekomstige technologieën. Deze nieuwe methode zou kunnen worden gebruikt om ultrasensitieve wetenschappelijke hulpmiddelen te maken, zoals microscopische sondes en sensoren, nanoschaalnaalden voor gerichte medicijn- of genafgifte en 3D-gestapelde bedrading in computerchips van de volgende generatie.

En omdat de aanpak chemisch instelbaar is, kan deze uiteindelijk worden toegepast op andere materialen buiten koper.

“Dit geeft ons een flexibel nieuw hulpmiddel voor productie op nanoschaal,” zei Ahmed.

“Door de lokale chemie te beheersen, kunnen we in wezen 3D -afdrukken en tegelijkertijd aftrekken – nieuwe mogelijkheden voor ontwerp en fabricage in nanotechnologie openen.”