Oppervlakken repliceren, tot op een fractie van een atoom

Het vermogen om materialen op atomair niveau te repliceren, heeft veel aandacht getrokken van materiaalwetenschappers. De huidige technologie wordt echter beperkt door een aantal factoren. Udo Schwarz, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en afdelingsvoorzitter, heeft onlangs twee artikelen gepubliceerd over onderzoek dat aanzienlijk zou kunnen openen voor wat mogelijk is binnen dit opkomende vakgebied. Zijn methoden omvatten een proces dat de kenmerken van een oppervlak kan repliceren tot details van minder dan een 10 miljardste van een meter, of minder 1 / 20e van de diameter van een atoom.

Nanogestructureerde en nanopatronen zijn een integraal onderdeel van veel nanotechnologische toepassingen. De methode van nano-imprinting is gebruiksvriendelijk en economisch en heeft een groot potentieel voor toepassingen zoals gegevensopslag met hoge dichtheid, fotonische apparaten, hologrammen, bio-nanofluïdische chips, waterfiltratie en elektroden in brandstofcellen. De precisie van replicatie is echter beperkt in de meeste materialen vanwege de atomaire structuren van die materialen.

In APL Materials laat Schwarz zien dat er bij het werken met metalen brillen vrijwel geen limiet is aan de nauwkeurigheid die je kunt hebben bij het repliceren van oppervlaktekenmerken. In feite reikt het precisieniveau tot op het subatomaire niveau. De sleutel is de atomaire structuur van de materialen. In tegenstelling tot kristallijne materialen, die atomen hebben die specifiek zijn gerangschikt, zijn atomen in glazen gerangschikt zonder beperkende periodieke ordeningsprincipes.

“Kristallen willen altijd atomen op specifieke plaatsen plaatsen, en als je mal daar niet bij past, heb je pech”, zei Schwarz.

Maar metalen glazen hebben niet zulke strak geordende atomen, waardoor ze zich kunnen aanpassen aan waar ze nodig zijn. Door het glas te verwarmen, waren de onderzoekers in staat om de interne cohesie van het materiaal net genoeg te verzwakken om de atomen met bijna perfecte nauwkeurigheid te laten bewegen op welke manier dan ook.

“Voor de eerste keer hebben we aangetoond dat elke structuur die je hebt, je kunt repliceren – het metallisch glas zal er correct naar passen,” zei hij. “Je kunt dat doen met praktisch geen limiet in nauwkeurigheid.”

Dat betekent dat ze een ideaal platform kunnen bieden voor voortschrijdend onderzoek in de fundamentele studie van structuur, vervorming en faseovergangen van glazen, en voor nieuwe toepassingen op gebieden die gebruik maken van oppervlaktefunctionalisatie door middel van topografie.

Co-auteurs van de APL-materialen papier, dat het tijdschrift promoot als een “Featured Article”, zijn Chao Zhou, Amit Datye, Zheng Chen, Georg H. Simon, Xinzhe Wang en Jan Schroers.

In een tweede paper, in ACS Applied Materials and Interfaces, kijkt Schwarz ook naar nanofabricage van metalen bulkglazen, maar met een andere aanpak.

Voor die studie, die door het tijdschrift de aanduiding “Editor’s Choice” kreeg, ontwikkelde Schwarz een methode op basis van magnetronsputteren. Bij magneton-sputteren raken gasionen, typisch argon, een “doelwit” en werpen ze doelatomen uit in het proces. De uitgeworpen atomen reizen vervolgens door vacuüm om uiteindelijk een substraat te bereiken waarop ze een film vormen. Vanwege het brede scala aan legeringen die als doelwit kunnen worden gebruikt en de grote substraatgebieden die kunnen worden bedekt, biedt de methode onderzoekers een grote gereedschapskist voor het selecteren van een gewenste oppervlaktechemie, terwijl ze tegelijkertijd extreem veelzijdig is in termen van grootte, vorm en de aard. van het oppervlaktepatroon en van de vormen die kunnen worden gebruikt. Schwarz zei dat het replicatie op atomaire schaal effectief zou kunnen verheffen van een ‘wetenschappelijke nieuwsgierigheid’ tot een veelgebruikt instrument voor nanofabricage.

Tijdens het replicatieproces is de hoge mate van nauwkeurigheid deels gebaseerd op de sputtertechniek, maar ook doorslaggevend op het feit dat de trefplaatlegeringen die worden gebruikt om de films te sputteren niet kristalliseren. Hierdoor zijn er geen dimensionale beperkingen van films die proberen de kristallijne orde vast te stellen.

“Het laat zien dat we oppervlaktestructuren kunnen repliceren tot sub-ångström [less than one 10 billionth of a meter] op grote schaal, en dat dit de weg kan openen om deze materialen op grote schaal te gebruiken voor de productie van echte werkstukken en voor betaalbare prijzen, “zei hij.

Omdat er slechts schaarse hoeveelheden materiaal nodig zijn, is de nieuwe aanpak economisch. Het is ook toepasbaar op een breed scala aan legeringen, flexibel in het type mallen dat het kan repliceren en kan gemakkelijk worden opgeschaald. Mogelijke toepassingen van deze nieuwe benadering zijn de ontwikkeling van nanodraden en nanobuisjes voor nano-elektronische toepassingen.