Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory är de första som använder ett scanning transmission elektronmikroskop (STEM) för att direkt skriva små mönster i metalliskt "bläck, " bildar särdrag i vätska som är finare än halva bredden av ett människohår.

Den automatiserade processen styrs genom att väva ett STEM-instrumentets elektronstråle genom en vätskefylld cell för att stimulera avsättning av metall på ett kiselmikrochip. Mönstren som skapas är "nanoskala, " eller på storleksskalan för atomer eller molekyler.

Vanligtvis kräver tillverkning av mönster i nanoskala litografi, som använder masker för att förhindra att material samlas på skyddade områden. ORNL:s nya direktskrivningsteknik är som litografi utan masken.

Detaljer om denna unika förmåga publiceras online i Nanoskala , en tidskrift från Royal Society of Chemistry, och forskare ansöker om patent. Tekniken kan ge ett nytt sätt att skräddarsy enheter för elektronik och andra applikationer.

"Vi kan nu deponera högrena metaller på specifika platser för att bygga strukturer, med skräddarsydda materialegenskaper för en specifik tillämpning, "säger huvudförfattaren Raymond Unocic från Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL. "Vi kan anpassa arkitekturer och kemi. Vi är bara begränsade av system som är lösliga i vätskan och kan genomgå kemiska reaktioner."

Experimentörerna använde gråskalebilder för att skapa mallar i nanoskala. Sedan strålade de elektroner in i en cell fylld med en lösning innehållande palladiumklorid. Rent palladium separerade ut och avsattes varhelst elektronstrålen passerade.

Flytande miljöer är ett måste för kemi. Forskare behövde först ett sätt att kapsla in vätskan så att den extrema torrheten i vakuumet inuti mikroskopet inte skulle avdunsta vätskan. Forskarna började med en cell gjord av mikrochips med ett kiselnitridmembran som skulle fungera som ett fönster genom vilket elektronstrålen kunde passera.

Sedan behövde de få fram en ny förmåga från ett STEM-instrument. "Det är en sak att använda ett mikroskop för avbildning och spektroskopi. Det är en annan att ta kontroll över det mikroskopet för att utföra kontrollerade och platsspecifika kemiska reaktioner i nanoskala, "Unocic sa." Med andra tekniker för elektronstråle litografi, det finns sätt att koppla ihop det mikroskopet där du kan styra strålen. Men det är inte så som aberrationskorrigerade sveptransmissionselektronmikroskop är inställda."

Ange Stephen Jesse, ledare för CNMS:s riktade Nanoskala Transformations -tema. Denna grupp tittar på verktyg som forskare använder för att se och förstå materia och dess egenskaper i nanoskala i ett nytt ljus, och utforskar om dessa verktyg också kan omvandla materia en atom i taget och bygga strukturer med specificerade funktioner. "Tänk på vad vi gör som att arbeta i laboratorier i nanoskala, " Sa Jesse. "Detta innebär att kunna framkalla och stoppa reaktioner efter behag, samt övervaka dem medan de händer."

Jesse hade nyligen utvecklat ett system som fungerar som ett gränssnitt mellan ett nanolitografimönster och en STEMs skanningsspolar, och ORNL-forskare hade redan använt det för att selektivt transformera fasta ämnen. Mikroskopet fokuserar elektronstrålen till en fin punkt, vilka mikroskopister kunde flytta bara genom att ta kontroll över skanningsspolarna. Unocic med Andrew Lupini, Albina Borisevich och Sergei Kalinin integrerade Jesses skanningskontroll/nanolithografisystem i mikroskopet så att de kunde kontrollera strålen som kommer in i vätskecellen. David Cullen utförde efterföljande kemisk analys.

"Denna strålinducerade nanolitografin förlitar sig kritiskt på att kontrollera kemiska reaktioner i volymer i nanoskala med en stråle av energiska elektroner, "sa Jesse. Systemet styr elektronstrålepositionen, hastighet och dos. Dosen – hur många elektroner som pumpas in i systemet – styr hur snabbt kemikalier omvandlas.

Denna nanoskalateknologi liknar storskaliga aktiviteter, som att använda elektronstrålar för att transformera material för 3-D-utskrift vid ORNL:s tillverkningsdemonstrationsanläggning. Isåfall, en elektronstråle smälter pulver så att det stelnar, lager på lager, för att skapa ett objekt.

"Vi gör i princip samma sak, men i en vätska, " sa Unocic. "Nu kan vi skapa strukturer från en vätskefas-prekursorlösning i den form vi vill ha och den kemi vi vill ha, justera de fysiokemiska egenskaperna för en given applikation. "

Exakt kontroll av strålens position och elektrondosen ger skräddarsydda arkitekturer. Att kapsla in olika vätskor och sekventiellt flöda dem under mönstring anpassar också kemin.

Den nuvarande upplösningen för metalliska "pixlar" som flytande bläck kan direktskriva är 40 nanometer, eller dubbelt så bred som ett influensavirus. I framtida arbete, Unocic och kollegor skulle vilja trycka ner resolutionen för att närma sig det senaste inom konventionell nanolitografi, 10 nanometer. De skulle också vilja tillverka flerkomponentstrukturer.

Titeln på uppsatsen är "Direkt-skriv flytande fastransformationer med ett sveptransmissionselektronmikroskop."