Los investigadores han demostrado un nuevo proceso para fabricar rápidamente nanoestructuras tridimensionales complejas de una variedad de materiales, incluidos metales. La nueva técnica utiliza nanoelectrospray para proporcionar un suministro continuo de precursor líquido, que puede incluir iones metálicos que se convierten en altospureza de metal por un haz de electrones enfocado.
El nuevo proceso genera estructuras que serían imposibles de hacer usando técnicas de deposición inducida por haz de electrones enfocado en fase gaseosa FEBID, y permite la fabricación a velocidades de hasta cinco órdenes de magnitud más rápido que la técnica de fase gaseosa. Y porqueutiliza solventes líquidos estándar, el nuevo proceso podría aprovechar una amplia gama de materiales precursores. También se pueden depositar múltiples materiales simultáneamente.
"Al permitirnos crecer estructuras mucho más rápido con una amplia gama de precursores, esta técnica realmente abre una nueva dirección para crear una jerarquía de estructuras tridimensionales complejas con resolución a nanoescala a la velocidad que se exige para la escalabilidad de fabricación,"dijo Andrei Fedorov, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia." Esto podría proporcionar un cambio fundamental en la forma en que funcionará este campo ".
La investigación fue respaldada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Y se informó en la revista Nano Letters. Las aplicaciones para la escritura rápida de haces de electrones de nanoestructuras 3D topológicamente complejas podrían incluir nuevos tipos de topologías de electrodos para baterías y pilas de combustible, verticalmentememoria electrónica apilada, sustratos para controlar la diferenciación celular y pequeños dispositivos de conversión electroquímica.
En el proceso FEBID establecido, se usa un haz de electrones para escribir estructuras de moléculas adsorbidas en una superficie sólida que proporciona sitios de soporte y nucleación para el crecimiento de depósitos. Los precursores se introducen en la cámara del microscopio electrónico de alto vacío en fase gaseosa. Alto-los electrones energéticos en el haz interactúan con el sustrato para producir los electrones secundarios de baja energía, que disocian las moléculas precursoras adsorbidas, lo que resulta en la deposición de material sólido sobre la superficie del sustrato.
Aunque permite la fabricación precisa de nanoestructuras átomo por átomo, el proceso es muy lento porque la baja densidad de las moléculas de gas adsorbido en el entorno de vacío limita la cantidad de material disponible para la fabricación. Y las estructuras deben fabricarse a partir de la superficie del sustratohacia arriba a una tasa de crecimiento continuamente decreciente y de un número limitado de gases precursores disponibles.
Fedorov y sus colaboradores han acelerado drásticamente el proceso al introducir precursores de fase líquida cargados eléctricamente directamente en el alto vacío de la cámara del microscopio electrónico. Los precursores de fase líquida se habían demostrado antes, pero los materiales tenían que estar encerrados en una pequeña cápsuladonde tuvo lugar la reacción, limitando la flexibilidad de fabricación, la capacidad y la utilidad del enfoque para la nanofabricación 3D.
El equipo de investigación, incluido el estudiante graduado y primer autor Jeffrey Fisher, el becario postdoctoral Songkil Kim y el ingeniero de investigación Peter Kottke, utilizaron solventes de baja volatilidad como el etilenglicol, disolviendo una sal de plata en el líquido.la sal se disocia en cationes de plata, lo que permite la producción de depósitos de metal de plata por reacción de reducción electroquímica utilizando electrones secundarios solvatados en lugar de descomposición molecular directa.
El solvente que contiene los iones de material deseados se introduce en la cámara usando un sistema de nanoelectrospray compuesto de una pequeña boquilla de solo unas pocas micras de diámetro. Al aplicar el campo eléctrico enfocado a la boquilla, el chorro de fluido se extrae y se envía al sustratoformando una película líquida delgada controlada con precisión.
El electrospray produce gotas cargadas a escala nanométrica a partir de un chorro de cono Taylor de solo 100 nanómetros de diámetro, que se unen al impactar y forman una película delgada del precursor sobre el sustrato sólido.
El equipo de investigación utilizó el haz de electrones en sí para visualizar el chorro de cono Taylor en el entorno de vacío, la primera vez que esto se demostró, así como para medir el espesor de la película líquida in situ mediante el uso de una "regla" a escala nanométrica prefabricadaen el sustrato de deposición. El haz de electrones luego escanea sobre la película líquida siguiendo un patrón deseado, produciendo electrones de energía adecuados que solvatan y reducen los cationes, escribiendo estructuras en formación precisa desde el precursor entregado por el chorro electrificado. Aunque la evaporación del solvente sí lo haceocurrir, la nanoelectrospray puede mantener una película estable el tiempo suficiente para que se formen las estructuras.
La combinación de un precursor más denso, la reducción de los problemas de transferencia de superficie del material y la eliminación de la necesidad de romper enlaces químicos con el haz de electrones permite la fabricación de hasta cinco órdenes de magnitud, un factor de 5,000, más rápido que el gas anteriortécnica de fase.
"Al cambiar la energía del haz y la corriente, podemos desarrollar preferentemente nanoestructuras en 3D a una velocidad mucho más rápida", dijo Fedorov. "De repente, hay una gran cantidad de aplicaciones diferentes que antes no eran posibles".
Dijo Fedorov que varía el tipo de precursor, el grosor de la película, la concentración de iones y la energía y la corriente del haz de electrones que controla los tipos de estructuras que se pueden hacer. Estructuras como los puentes que conectan los postes son posibles porque el material puede escribirse encima delPeliculas delgadas.
Los investigadores han fabricado nanopilares de carbono de cinco micras de alto, nanoestructuras parecidas a paredes que conectan dos nanopilares y nanoestructuras de arco suspendido en forma de puente que conectan nanopilares. Las estructuras requieren tiempos de crecimiento que van de 2 a 40 segundos. También se han fabricado micropilares plateados.
El nuevo proceso permite una flexibilidad considerable en la fabricación, abriendo la posibilidad de depositar más de un material simultáneamente. Eso podría permitir la producción de aleaciones y compuestos, como combinaciones de plata y oro. O bien, un material podría usarse como plantilla paraser recubierto por otro material con la simple sustitución de materiales precursores.
Hasta ahora, el equipo de Georgia Tech ha producido estructuras de plata y carbono, pero el proceso podría usarse para fabricar una amplia gama de nanomateriales metálicos y no metálicos. Los metales producidos usando la técnica pueden ser muy puros porque producen carbonoel paso de disociación precursora puede mitigarse.
El siguiente paso será comprender la física y la química que rigen el proceso de fabricación para permitir un control más preciso y guiar a otros que deseen utilizarlo para sus propias aplicaciones específicas.
"Esperamos que el papel de los solventes sea muy importante en los tipos de rutas cinéticas que podemos controlar para producir muchos tipos diferentes de estructuras con la composición química deseada", dijo Fedorov. "Esto nos da unaoportunidad de explorar un régimen de química y física que anteriormente había estado fuera de lo que podíamos estudiar. Queremos establecer una comprensión de la física y química básicas del proceso ".
El trabajo futuro incluirá un estudio de cómo la interacción de los haces con diferentes energías, entornos de vacío, solventes y concentraciones de especies iónicas afectan el resultado.
"Hemos demostrado que podemos precursor líquido de electrospray dentro de un entorno de alto vacío de un microscopio electrónico y luego usar electrones para facilitar transformaciones químicas útiles", dijo Fedorov. "Creemos que esto permitirá a los científicos e ingenieros hacer estructuras que solo teníanhe podido soñar antes "
Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de los EE. UU., Oficina de Ciencia, Ciencias Básicas de Energía, con el número de premio DE-SC0010729. Los comentarios contenidos en este artículo son responsabilidad de los autores y no representan necesariamente los puntos de vista oficiales deDepartamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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