Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía son los primeros en aprovechar un microscopio electrónico de transmisión de exploración STEM para escribir directamente pequeños patrones en "tinta" metálica, formando características en líquido que son más finos que la mitad del ancho de un humanocabello.
El proceso automatizado se controla tejiendo el haz de electrones de un instrumento STEM a través de una celda llena de líquido para estimular la deposición de metal en un microchip de silicio. Los patrones creados son "nanoescala" o en la escala de tamaño de átomos o moléculas.
Por lo general, la fabricación de patrones a nanoescala requiere una litografía, que emplea máscaras para evitar que el material se acumule en áreas protegidas. La nueva tecnología de escritura directa de ORNL es como la litografía sin la máscara.
Los detalles de esta capacidad única se publican en línea en nanoescala , una revista de la Royal Society of Chemistry, y los investigadores están solicitando una patente. La técnica puede proporcionar una nueva forma de adaptar los dispositivos para la electrónica y otras aplicaciones.
"Ahora podemos depositar metales de alta pureza en sitios específicos para construir estructuras, con propiedades de materiales a medida para una aplicación específica", dijo el autor principal Raymond Unocic del Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase CNMS, un usuario de la Oficina de Ciencia del DOEInstalación en ORNL. "Podemos personalizar arquitecturas y químicas. Solo estamos limitados por sistemas que son solubles en el líquido y pueden sufrir reacciones químicas".
Los experimentadores usaron imágenes en escala de grises para crear plantillas a nanoescala. Luego enviaron electrones a una celda llena de una solución que contenía cloruro de paladio. El paladio puro se separó y se depositó dondequiera que pasara el haz de electrones.
Los entornos líquidos son imprescindibles para la química. Los investigadores primero necesitaban una forma de encapsular el líquido para que la extrema sequedad del vacío dentro del microscopio no evaporara el líquido. Los investigadores comenzaron con una célula hecha de microchips con una membrana de nitruro de silicio paraservir como una ventana a través de la cual podría pasar el haz de electrones.
Luego necesitaban obtener una nueva capacidad de un instrumento STEM. "Una cosa es utilizar un microscopio para imágenes y espectroscopía. Otra es tomar el control de ese microscopio para realizar reacciones químicas a nanoescala controladas y específicas del sitio", dijo Unocic"Con otras técnicas para la litografía con haz de electrones, hay formas de interconectar ese microscopio donde puede controlar el haz. Pero esta no es la forma en que se configuran los microscopios electrónicos de transmisión de exploración con corrección de aberración".
Ingrese Stephen Jesse, líder del tema Transformaciones a nanoescala dirigida del CNMS. Este grupo analiza las herramientas que los científicos usan para ver y comprender la materia y sus propiedades a nanoescala bajo una nueva luz, y explora si esas herramientas también pueden transformar la materia un átomo a la vezy construir estructuras con funciones específicas. "Piense en lo que estamos haciendo trabajando en laboratorios a nanoescala", dijo Jesse. "Esto significa ser capaz de inducir y detener las reacciones a voluntad, así como monitorearlas mientras ocurren".
Jesse había desarrollado recientemente un sistema que sirve como interfaz entre un patrón de nanolitografía y las bobinas de exploración de STEM, y los investigadores de ORNL ya lo habían usado para transformar selectivamente sólidos. El microscopio enfoca el haz de electrones en un punto fino, que los microscopistas podrían moversimplemente tomando el control de las bobinas de exploración. Unocic con Andrew Lupini, Albina Borisevich y Sergei Kalinin integraron el sistema de control de exploración / nanolitografía de Jesse dentro del microscopio para que pudieran controlar el rayo que ingresa a la celda líquida. David Cullen realizó un análisis químico posterior.
"Esta nanolitografía inducida por haz se basa críticamente en el control de reacciones químicas en volúmenes a nanoescala con un haz de electrones energéticos", dijo Jesse. El sistema controla la posición, la velocidad y la dosis del haz de electrones. La dosis, cuántos electrones se están bombeandoen el sistema: rige la rapidez con que se transforman los productos químicos.
Esta tecnología a nanoescala es similar a las actividades a gran escala, como el uso de haces de electrones para transformar materiales para la impresión 3D en la Instalación de demostración de fabricación de ORNL. En ese caso, un haz de electrones derrite el polvo para que se solidifique, capa por capa, para crearun objeto.
"Estamos haciendo esencialmente lo mismo, pero dentro de un líquido", dijo Unocic. "Ahora podemos crear estructuras a partir de una solución precursora de fase líquida en la forma que queramos y la química que queramos, ajustando la fisioquímicapropiedades para una aplicación determinada "
El control preciso de la posición del haz y la dosis de electrones produce arquitecturas personalizadas. La encapsulación de diferentes líquidos y su flujo secuencial durante el diseño también personaliza la química.
La resolución actual de los "píxeles" metálicos que la tinta líquida puede escribir directamente es de 40 nanómetros, o el doble del ancho de un virus de la gripe. En el trabajo futuro, Unocic y sus colegas desearían reducir la resolución para acercarse al estado delarte de la nanolitografía convencional, 10 nanómetros. También les gustaría fabricar estructuras de componentes múltiples.
El título del artículo es "Transformaciones de fase líquida de escritura directa con un microscopio electrónico de transmisión de barrido".
Esta investigación se llevó a cabo en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL. La Oficina de Ciencia del DOE apoyó el trabajo. Los fondos de Investigación y Desarrollo Dirigidos por el Laboratorio de ORNL apoyaron una parte del trabajo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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