EPFL-forskare har tryckt sensorer i nanometrisk skala som kan förbättra prestandan hos atomkraftmikroskop.

Små sensorer gjorda genom 3D-utskrift i nanoskala kan vara grunden för nästa generation av atomkraftmikroskop. Dessa nanosensorer kan förbättra mikroskopens känslighet och detektionshastighet genom att miniatyrisera deras detektionskomponent upp till 100 gånger. Sensorerna användes i en verklig tillämpning för första gången på EPFL, och resultaten publiceras i Naturkommunikation .

En liten skivspelare som "lyssnar" på atomer

Atomkraftsmikroskopi bygger på kraftfull teknik som fungerar lite som en miniatyrskiva. En liten cantilever med en nanometrisk spets passerar över ett prov och spårar dess relief, atom för atom. Spetsens oändliga upp-och-nerrörelser fångas upp av en sensor så att provets topografi kan bestämmas.

Ett sätt att förbättra atomkraftsmikroskop är att miniatyrisera konsolen, eftersom detta kommer att minska trögheten, öka känsligheten, och påskynda upptäckten. Forskare vid EPFL:s Laboratory for Bio- och Nano-Instrumentation uppnådde detta genom att utrusta konsolen med en 5 nanometer tjock sensor gjord med en 3D-utskriftsteknik i nanoskala. "Med vår metod, konsolen kan vara 100 gånger mindre, säger Georg Fantner, labbets chef.

Elektroner som hoppar över hinder

Den nanometriska spetsens upp-och-nerrörelser kan mätas genom deformationen av sensorn placerad vid den fasta änden av konsolen. Men eftersom forskarna hade att göra med små rörelser - mindre än en atom - var de tvungna att dra ett trick ur hatten.

Tillsammans med Michael Huths labb vid Goethe Universität i Frankfurt am Main, de utvecklade en sensor som består av högledande platinananopartiklar omgivna av en isolerande kolmatris. Under normala förhållanden, kolet isolerar elektronerna. Men på nanoskala, en kvanteffekt spelar in:vissa elektroner hoppar genom isoleringsmaterialet och färdas från en nanopartikel till nästa. "Det är ungefär som om folk som gick på en stig stötte på en vägg och bara de få modiga lyckades klättra över den, sa Fantner.

När formen på sensorn ändras, nanopartiklarna rör sig längre bort från varandra och elektronerna hoppar mellan dem mer sällan. Förändringar i strömmen avslöjar alltså sensorns deformation och provets sammansättning.

Skräddarsydda sensorer

Forskarnas verkliga bedrift var att hitta ett sätt att producera dessa sensorer i nanoskaladimensioner samtidigt som de noggrant kontrollerade deras struktur och, i förlängningen, deras egenskaper. "I ett vakuum, vi fördelar en prekursorgas som innehåller platina och kolatomer över ett substrat. Sedan applicerar vi en elektronstråle. Platinaatomerna samlas och bildar nanopartiklar, och kolatomerna bildar naturligt en matris runt dem, sa Maja Dukic, artikelns huvudförfattare. "Genom att upprepa denna process, vi kan bygga sensorer med vilken tjocklek och form vi vill. Vi har bevisat att vi skulle kunna bygga dessa sensorer och att de fungerar på befintlig infrastruktur. Vår teknik kan nu användas för bredare tillämpningar, allt från biosensorer, ABS-sensorer för bilar, att beröra sensorer på flexibla membran i proteser och konstgjord hud."