Forskare har visat en ny process för att snabbt tillverka komplexa tredimensionella nanostrukturer från en mängd olika material, inklusive metaller. Den nya tekniken använder nanoelektrospray för att ge en kontinuerlig tillförsel av flytande prekursor, som kan innefatta metalljoner som omvandlas till högren metall genom en fokuserad elektronstråle.

Den nya processen genererar strukturer som skulle vara omöjliga att göra med gasfasfokuserad elektronstråleinducerad deposition (FEBID) tekniker, och tillåter tillverkning i hastigheter upp till fem storleksordningar snabbare än gasfastekniken. Och eftersom den använder vanliga flytande lösningsmedel, den nya processen skulle kunna dra fördel av ett brett utbud av prekursormaterial. Flera material kan också deponeras samtidigt.

"Genom att tillåta oss att växa strukturer mycket snabbare med ett brett utbud av prekursorer, denna teknik öppnar verkligen upp en helt ny riktning för att skapa en hierarki av komplexa tredimensionella strukturer med upplösning i nanoskala i den takt som krävs för att tillverka skalbarhet, sa Andrej Fedorov, en professor vid George Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Detta kan ge en grundläggande förändring i hur detta område kommer att gå."

Forskningen stöddes av U.S. Department of Energy's Office of Science och rapporterades i tidskriften Nanobokstäver . Tillämpningar för snabb elektronstråleskrivning av topologiskt komplexa 3D-nanostrukturer kan innefatta nya typer av elektrodtopologier för batterier och bränsleceller, vertikalt staplat elektroniskt minne, substrat för att kontrollera celldifferentiering och små elektrokemiska omvandlingsanordningar.

I den etablerade FEBID-processen, en elektronstråle används för att skriva strukturer från molekyler adsorberade på en fast yta som ger stöd och kärnbildningsställen för avlagringstillväxt. Prekursorerna införs i högvakuumelektronmikroskopkammaren i gasfas. Högenergielektroner i strålen interagerar med substratet för att producera lågenergi sekundära elektroner, som dissocierar de adsorberade prekursormolekylerna, vilket resulterar i avsättning av fast material på substratytan.

Även om det möjliggör exakt atom-för-atom-tillverkning av nanostrukturer, processen är mycket långsam eftersom den låga densiteten av adsorberade gasmolekyler i vakuummiljön begränsar mängden material som är tillgängligt för tillverkning. Och strukturer måste tillverkas från substratytan och uppåt med ständigt minskande tillväxthastighet och från ett begränsat antal tillgängliga prekursorgaser.

Fedorov och hans medarbetare har dramatiskt accelererat processen genom att introducera elektriskt laddade vätskefasprekursorer direkt i högvakuum i elektronmikroskopkammaren. Prekursorer i vätskefas hade visats tidigare, men materialen måste inneslutas i en liten kapsel där reaktionen ägde rum, begränsa tillverkningsflexibiliteten, kapacitet och användbarhet av tillvägagångssättet för 3D nanotillverkning.

Forskargruppen – inklusive doktoranden och första författaren Jeffrey Fisher, postdoktor Songkil Kim och senior forskningsingenjör Peter Kottke – använde lågflyktiga lösningsmedel som etylenglykol, lösa ett salt av silver i vätskan. I lösning, saltet dissocierar till silverkatjoner, möjliggör produktion av silvermetallavlagringar genom elektrokemisk reduktionsreaktion med användning av solvatiserade sekundära elektroner snarare direkt molekylär nedbrytning.

Lösningsmedlet som innehåller de önskade materialjonerna införs i kammaren med hjälp av ett nanoelektrospraysystem som består av ett litet munstycke som bara är några mikrometer i diameter. Genom att applicera det fokuserade elektriska fältet på munstycket, vätskestrålen dras och levereras till substratet och bildar en exakt kontrollerad tunn vätskefilm.

Elektrosprayen producerar laddade droppar i nanometerskala från en Taylor-konstråle bara 100 nanometer i diameter, som sammansmälter vid kollision och bildar en tunn film av prekursorn på det fasta substratet.

Forskargruppen använde själva elektronstrålen för att visualisera Taylor-konstrålen i vakuummiljön, första gången detta någonsin har visat sig, samt att mäta tjockleken på vätskefilmen in situ genom att använda en nanoskala "linjal" prefabricerad på avsättningssubstratet. Elektronstrålen skannar sedan över vätskefilmen efter ett önskat mönster, producerar lämpliga energielektroner som löser upp och reducerar katjonerna, skrivstrukturer i exakt formation från prekursorn som levereras av den elektrifierade jetstrålen. Även om avdunstning av lösningsmedlet inträffar, nanoelektrosprayen kan bibehålla en stabil film tillräckligt länge för att strukturerna ska bildas.

Kombinationen av en tätare prekursor, minskning av problem med materialytöverföring och eliminering av behovet av att bryta kemiska bindningar med elektronstrålen tillåter tillverkning upp till fem storleksordningar – en faktor 5, 000 – snabbare än den tidigare gasfastekniken.

"Genom att ändra energin hos strålen och strömmen, vi kan företrädesvis odla nanostrukturer i 3D i mycket snabbare takt, sade Fedorov. Helt plötsligt, det finns en mängd olika applikationer som inte var möjliga tidigare."

Varierar prekursortypen, film tjocklek, koncentrationen av joner och elektronstrålens energi och ström styr vilka typer av strukturer som kan göras, sa Fedorov. Strukturer som broar som förbinder stolpar blir möjliga eftersom material kan skrivas ovanpå de tunna filmerna.

Forskarna har tillverkat nanopelare i kol som är fem mikrometer höga, väggliknande nanostrukturer som förbinder två nanopelare, och upphängda broliknande nanostrukturer som förbinder nanopelare. Strukturerna krävde tillväxttider från 2 till 40 sekunder. Silvermikropelare har också tillverkats.

Den nya processen tillåter stor flexibilitet vid tillverkning, öppnar möjligheten att deponera mer än ett material samtidigt. Det skulle kunna möjliggöra produktion av legeringar och kompositer, som kombinationer av silver och guld. Eller, ett material skulle kunna användas som en mall för att beläggas med ett annat material med den enkla ersättningen av prekursormaterial.

Än så länge, Georgia Tech-teamet har producerat strukturer av silver och kol, men processen kan användas för att tillverka ett brett utbud av metalliska och icke-metalliska nanomaterial. Metaller som produceras med hjälp av tekniken kan vara mycket rena eftersom ett kolproducerande prekursordissociationssteg kan mildras.

Nästa steg blir att förstå fysiken och kemin som styr tillverkningsprocessen för att möjliggöra mer exakt kontroll och vägleda andra som kanske vill använda den för sina egna specifika tillämpningar.

"Vi förväntar oss att lösningsmedlens roll kommer att vara mycket viktig i de typer av kinetiska vägar som vi kan kontrollera för att producera många olika typer av strukturer med önskad kemisk sammansättning, ", sa Fedorov. "Detta ger oss en möjlighet att utforska en regim av kemi och fysik som tidigare varit utanför vad vi kunde studera. Vi vill skapa en förståelse för processens grundläggande fysik och kemi."

Framtida arbete kommer att omfatta en studie av hur strålars interaktion med olika energier, vakuummiljöer, lösningsmedel och koncentrationer av joniska arter påverkar resultatet.

"Vi har visat att vi kan elektrospraya flytande prekursorer inuti en högvakuummiljö i ett elektronmikroskop och sedan använda elektroner för att underlätta användbara kemiska omvandlingar, ", sa Fedorov. "Vi tror att detta kommer att göra det möjligt för forskare och ingenjörer att göra strukturer som de bara hade kunnat drömma om tidigare."