Elektronmikroskopiforskare vid Department of Energy:s Oak Ridge National Laboratory har utvecklat ett unikt sätt att bygga 3D-strukturer med fint kontrollerade former så små som en till två miljardelar av en meter.

ORNL -studien publicerad i tidskriften Små visar hur skanning av överföringselektronmikroskop, normalt används som bildverktyg, är också kapabla att precisionsforma 3D-funktioner i nanometerstorlek i komplexa oxidmaterial.

Genom att erbjuda precision i ett atomplan, tekniken kan hitta användningsområden vid tillverkning av strukturer för funktionella nanoskala -enheter som mikrochips. Strukturerna växer epitaxiellt, eller i perfekt kristallin inriktning, vilket säkerställer att samma elektriska och mekaniska egenskaper sträcker sig genom hela materialet.

"Vi kan göra mindre saker med mer exakta former, "sa ORNL:s Albina Borisevich, som ledde studien. "Processen är också epitaxiell, vilket ger oss mycket mer uttalad kontroll över fastigheter än vi kunde åstadkomma med andra tillvägagångssätt. "

ORNL -forskare råkade ut för metoden när de avbildade en ofullständigt beredd strontiumtitanat tunn film. Provexemplaret, bestående av ett kristallint substrat täckt av ett amorft lager av samma material, transformeras när elektronstrålen passerar genom den. Ett team från ORNL:s Institute for Functional Imaging of Materials, som förenar forskare från olika discipliner, arbetade tillsammans för att förstå och utnyttja upptäckten.

"När vi utsatte det amorfa skiktet för en elektronstråle, vi tycktes knuffa det mot att anta det föredragna kristallina tillståndet, "Sa Borisevich." Det gör det exakt där elektronstrålen är. "

Användning av ett skanningsöverföringselektronmikroskop, som passerar en elektronstråle genom ett bulkmaterial, skiljer tillvägagångssättet från litografitekniker som endast mönstrar eller manipulerar ett materials yta.

"Vi använder fin kontroll av strålen för att bygga något inuti själva fasten, "sa Stephen Jesse från ORNL." Vi gör transformationer som är begravda djupt inne i strukturen. Det skulle vara som att tunnla inuti ett berg för att bygga ett hus. "

Tekniken erbjuder en genväg till forskare som är intresserade av att studera hur materialets egenskaper förändras med tjockleken. Istället för att avbilda flera prover av olika bredder, forskare kan använda mikroskopimetoden för att lägga till lager i provet och samtidigt observera vad som händer.

"Hela förutsättningen för nanovetenskap är att ibland när man krymper ett material uppvisar det egenskaper som är mycket annorlunda än massmaterialet, "Sa Borisevich." Här kan vi kontrollera det. Om vi ​​vet att det finns ett visst beroende av storlek, vi kan bestämma exakt var vi vill vara på den kurvan och gå dit. "

Teoretiska beräkningar på ORNL:s Superdator Titan hjälpte forskarna att förstå processens underliggande mekanismer. Simuleringarna visade att det observerade beteendet, känd som en knock-on-process, överensstämmer med att elektronstrålen överför energi till enskilda atomer i materialet snarare än att värma en yta av materialet.

"Med elektronstrålen, vi injicerar energi i systemet och knuffar dit det annars skulle gå av sig själv, givet tillräckligt med tid, "Sa Borisevich." Termodynamiskt vill det vara kristallint, men denna process tar lång tid vid rumstemperatur. "

Studien publiceras som "skulptur på atomnivå av kristallina oxider:mot bulk nanofabrication med enkel atomplanets precision."