Möjligheten att mönstra material i allt mindre storlekar – med hjälp av elektronstrålelitografi (EBL), där ett elektronkänsligt material exponeras för en fokuserad elektronstråle, som en primär metod - driver framsteg inom nanoteknik. När materialstorleken reduceras från makroskalan till nanoskalan, individuella atomer och molekyler kan manipuleras för att dramatiskt förändra materialegenskaper, som färg, kemisk reaktivitet, elektrisk konduktivitet, och ljusinteraktioner.

I den pågående strävan efter att mönstra material med allt mindre funktionsstorlekar, forskare vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) – ett US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory – har nyligen satt ett nytt rekord. Utföra EBL med ett sveptransmissionselektronmikroskop (STEM), de har mönstrade tunna filmer av polymeren poly(metylmetakrylat), eller PMMA, med individuella egenskaper så små som en nanometer (nm), och med ett avstånd mellan funktioner på 11 nm, ger en yttäthet på nästan en biljon särdrag per kvadratcentimeter. Dessa rekordprestationer publiceras i onlineupplagan den 18 april av Nanobokstäver .

"Vårt mål på CFN är att studera hur den optiska, elektrisk, termisk, och andra egenskaper hos material förändras när deras egenskaper blir mindre, " sa huvudförfattaren Vitor Manfrinato, en forskarassistent i CFN:s elektronmikroskopigrupp som började projektet som CFN-användare samtidigt som han avslutade sitt doktorandarbete vid MIT. "Tills nu, mönstring av material på en enda nanometer har inte varit möjligt på ett kontrollerbart och effektivt sätt."

Kommersiella EBL-instrument mönstrar vanligtvis material i storlekar mellan 10 och 20 nanometer. Tekniker som kan producera mönster med högre upplösning kräver speciella förhållanden som antingen begränsar deras praktiska användbarhet eller dramatiskt saktar ner mönstringsprocessen. Här, forskarna pressade upplösningsgränserna för EBL genom att installera en mönstergenerator - ett elektroniskt system som exakt flyttar elektronstrålen över ett prov för att rita mönster designade med datorprogramvara - i en av CFN:s aberrationskorrigerade STEM, ett specialiserat mikroskop som ger en fokuserad elektronstråle på atomär skala.

"Vi konverterade ett bildverktyg till ett ritverktyg som inte bara kan ta bilder med atomupplösning utan också göra strukturer med atomupplösning, " sa medförfattaren Aaron Stein, en senior forskare i gruppen för elektroniska nanomaterial vid CFN.

Deras mätningar med detta instrument visar en nästan 200 procents minskning av funktionsstorlek (från 5 till 1,7 nm) och 100 procent ökning av ytmönsterdensitet (från 0,4 till 0,8 biljoner punkter per kvadratcentimeter, eller från 16 till 11 nm avstånd mellan funktioner) jämfört med tidigare vetenskapliga rapporter.

Teamets mönstrade PMMA-filmer kan användas som schabloner för att överföra den ritade ensiffriga nanometerfunktionen till vilket annat material som helst. I det här arbetet, forskarna skapade strukturer mindre än 5 nm i både metalliska (guldpalladium) och halvledande (zinkoxid) material. Deras tillverkade guldpalladiumdetaljer var så små som sex atomer breda.

Trots denna rekordsättningsdemonstration, teamet är fortfarande intresserade av att förstå de faktorer som fortfarande begränsar upplösningen, och slutligen pressa EBL till sin grundläggande gräns.

"Upplösningen av EBL kan påverkas av många parametrar, inklusive instrumentbegränsningar, interaktioner mellan elektronstrålen och polymermaterialet, molekylära dimensioner associerade med polymerstrukturen, och kemiska processer för litografi, " förklarade Manfrinato.

Ett spännande resultat av denna studie var insikten att polymerfilmer kan mönstras i storlekar som är mycket mindre än PMMA-makromolekylens effektiva radie på 26 nm. "Polymerkedjorna som utgör en PMMA-makromolekyl är en miljon repeterande monomerer (molekyler) långa - i en film, dessa makromolekyler är alla intrasslade och sammankulor, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Nästa, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."