Från vänster:skanningselektronmikroskopbilder av silver -nanopyramider och silverfisknät tillverkade av laserchockavtryck.
En ny metod som skapar stora ytor av tredimensionella nanoshapes från metallplåtar representerar ett potentiellt tillverkningssystem för att billigt massproducera innovationer som "plasmoniska metamaterial" för avancerad teknik.
Metamaterialen har konstruerade ytor som innehåller funktioner, mönster eller element på nanometerskalan som möjliggör oöverträffad kontroll av ljus och kan ge innovationer som höghastighetselektronik, avancerade sensorer och solceller.
Den nya metoden, kallas laserchockavtryck, skapar former av de kristallina formerna av metaller, potentiellt ge dem idealiska mekaniska och optiska egenskaper med hjälp av ett bänkskivsystem som kan massproducera formerna billigt
Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som visas fredagen (12 december) i tidningen Vetenskap . Tidningen är författad av forskare från Purdue University, Harvard Universitet, Madrid Institute for Advanced Studies, och University of California, San Diego. Forskningen leds av Gary Cheng, docent i industriteknik på Purdue.
Formerna, som inkluderar nanopyramider, växlar, barer, spår och ett nätmönster, är för små för att ses utan specialiserade bildinstrument och är tusentals gånger tunnare än bredden på ett människohår. Forskarna använde sin teknik för att stämpla nanoshapes ur titan, aluminium, koppar, guld och silver.
En viktig fördel med den chockinducerade formningen är skarpt definierade hörn och vertikala funktioner, eller högkvalitativa strukturer.
"Dessa nanoshapes har också extremt släta ytor, vilket är potentiellt mycket fördelaktigt för kommersiella applikationer, "Cheng sa." Traditionellt har det varit riktigt svårt att deformera ett kristallint material till en nanomängd mycket mindre än kornstorleken på utgångsmaterial, och på grund av storlekseffekterna är materialen superstarka när kornstorleken måste reduceras till mycket små storlekar. Därför, Det är mycket utmanande att generera metallflöde till nanomolds med 3D-formning med hög kvalitet. "
Forskarna skapade också hybridstrukturer som kombinerar metall med grafen, ett ultratunt kolblad som lovar olika tekniker. Ett sådant hybridmaterial kan förstärka den plasmoniska effekten och ge "perfekta metamaterialabsorberare, "eller MPA, som har potentiella tillämpningar inom optoelektronik och trådlös kommunikation.
"Vi kan generera nanopatroner på metall-grafenhybridmaterial, som öppnar nya sätt att mönster 2-D-kristaller, "Sa Cheng.
Tekniken fungerar genom att använda en pulserad laser för att generera "hög töjningshastighet" -tryckning av metaller i nanomolden.
Från vänster:skanningselektronmikroskopbilder av en rad nanogears införda på kallvalsade aluminiumfolier och nanobar.
"Vi börjar med en tunn metallfilm, och vi kan deformera den till 3D-nanoshapes mönstrade över stora ytor, "Cheng sa." Det som är mer intressant är att de resulterande 3D-nanostrukturerna fortfarande är kristallina efter präglingsprocessen, vilket ger goda elektromagnetiska och optiska egenskaper. "
Medan andra forskare har skapat nanoshapes av relativt mjuka eller amorfa material, den nya forskningen visar hur man skapar nanoshapes av hårda och kristallina metaller.
Kisel -nanomålen tillverkades vid Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park av en forskargrupp ledd av Minghao Qi, docent i el- och datateknik.
"Det är kontraintuitivt att använda kisel för formar eftersom det är ett ganska sprött material jämfört med metaller, "Sa Qi." Men efter att vi har lagt ett ultratunt lager av aluminiumoxid på nanomålarna, det fungerar extremt bra för detta ändamål. Nanomålarna kunde återanvändas många gånger utan uppenbara skador. En del av anledningen är att även om töjningshastigheten är mycket hög, chocktrycket som appliceras är bara cirka 1-2 gigapascal. "
Formerna visade sig ha ett "bildförhållande" så högt som 5, vilket betyder att höjden är fem gånger större än bredden, en viktig egenskap för prestanda av plasmoniska metamaterial.
Från vänster:skanningselektronmikroskopbilder av en uppsättning triangulära V-spår och en rad nanotrenches i en tunn titanfilm.
"Det är en mycket utmanande uppgift ur tillverkningssynpunkt att skapa extremt smidiga, hög trovärdighet nanostrukturer, "Qi säger." Normalt när metaller omkristalliseras bildar de korn och det gör dem mer eller mindre grova. Tidigare försök att bilda metallnanostrukturer har behövt tillgripa mycket högtrycksprägling av kristallina metaller eller prägling av amorf metall, som antingen ger hög grovhet i kristallina metaller eller släta ytor i amorfa metaller men mycket hög elektrisk resistans. För potentiella tillämpningar inom nanoelektronik, optoelektronik och plasmonik du vill ha egenskaper som hög precision, låg elektromagnetisk förlust, hög elektrisk och värmeledningsförmåga. Du vill också att det ska vara mycket hög trohet när det gäller mönstret, skarpa hörn, vertikala sidoväggar, och de är mycket svåra att få tag på. Innan Garys genombrott, Jag trodde att det var osannolikt att uppnå alla de goda egenskaperna tillsammans. "
Tidningen var författad av Purdue doktorander Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, och Yingling Yang; forskaren Ramses V. Martinez från Harvard och Madrid Institute for Advanced Studies; Purdue forskningsassistent professor Yi Xuan, Purdue forskningsassistent Chunyu Li; Jian Luo, professor vid University of California, San Diego; Qi och Cheng.
Framtida forskning kan fokusera på att använda tekniken för att skapa ett roll-to-roll tillverkningssystem, som används i många branscher inklusive papper och plåtproduktion och kan vara viktigt för nya applikationer som flexibel elektronik och solceller.
