Som sandblästring i nanometerskala, fokuserade strålar av joner ablaterar hårda material för att bilda invecklade tredimensionella mönster. Strålarna kan skapa små funktioner i sidodimensionerna - längd och bredd, men för att skapa nästa generation av nanometer-enheter, de energiska jonerna måste exakt styra funktionerna i den vertikala dimensionen - djup. Nu, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat att en standard jonstrålteknik kan finjusteras för att göra strukturer med djup kontrollerade till inom diametern på en enda kiselatom.

Med fördel av den nyligen visade precisionen, NIST -teamet använde denna standardbearbetningsteknik för att tillverka enheter som möjliggör exakt mätning av storleken på nanopartiklar i en vätska. De nanofluidiska enheterna, som har potential för massproduktion, kan bli en ny laboratoriestandard för bestämning av nanopartikelstorlek. Sådana mätningar kan påskynda kvalitetskontroll i industriella tillämpningar av nanopartiklar.

"Vi har testat och avancerat vad som är möjligt att göra och mäta under en nanometer, "sa NIST -forskaren Samuel Stavis. Han och hans kollegor från NIST och Maryland NanoCenter vid University of Maryland i College Park rapporterade sina fynd i ett nyligen publicerat nummer av Lab on a Chip .

Även om ingenjörer i flera år har använt jonstrålar för att åtgärda defekter i integrerade kretsar och bearbeta små delar i optiska och mekaniska system, dessa applikationer krävde inte den djupkontroll som teamet nu har rapporterat.

För att förverkliga processens fulla potential, laget undersökte flera sätt att använda en fokuserad stråle av galliumjoner för att fräsa ytorna av kisel, kiselnitrid och kiseldioxid - material som är vanliga vid tillverkning av nanoskalautrustning som används inom elektronik, optik och mekanik. Forskarna använde ett atomkraftmikroskop, som har en känslig sond för att mäta djupet av topografin som bildas av jonstrålen. Noggranna mätningar var viktiga för att testa gränserna för jonstråltekniken. Anläggningarna på NIST gjorde det möjligt för teamet att utföra båda uppgifterna - precisionstillverkning och precisionsmätning.

Teamet tillämpade den nya förmågan att förbättra mätningen av storleken på nanopartiklar. Med hjälp av en galliumjonstråle, forskarna bearbetade trappmönster i kiseldioxid och stängde dem sedan för att kontrollera vätskeflödet i nanoskala. I vissa enheter, forskarna bearbetade en trappa med en stegstorlek på 1,1 nanometer; de bearbetade andra med en stegstorlek på 0,6 nanometer - bara några atomer på djupet.

Stegen i trappmönstret separerade exakt nanopartiklar nedsänkta i vatten efter deras storlek. Nanopartiklar flödade in till det djupaste steget längst ner i trappan, men bara de mindre kunde stiga upp mot det grundaste steget på toppen; större nanopartiklar kunde inte passa igenom och förbli instängda vid den nedre uppsättningen steg. Fluorescerande färgämne i nanopartiklarna gjorde att laget kunde registrera sin plats med ett optiskt mikroskop och matcha den platsen med trappans kända djup.

Jämförelse av nanopartikelstorlekarna som anges med denna metod med de storlekar som mäts med hjälp av elektronmikroskopi avslöjade en matchning som var exakt till inom en nanometer. Denna goda överensstämmelse mellan de olika mätningarna tyder på att enheterna inte bara kan fungera som en partikelseparator utan som ett referensmaterial för att mäta storleken på nanopartiklar.

Tillverkare som rutinmässigt utför kvalitetskontroll på nanopartiklar - bestämmer inte bara deras genomsnittliga storlek, men hur många av nanopartiklarna är något mindre eller större än genomsnittet från sats till sats - skulle kunna dra nytta av den nya tekniken. De nyproducerade enheterna, i kombination med ett billigt optiskt mikroskop för att identifiera platserna för nanopartiklar, erbjuder en potentiellt snabbare och mer ekonomisk väg än andra mättekniker, Noterade Stavis. Teamet undersöker nu hur enheterna kan fungera som mästermallar för massproduktion av billiga kopior.

Eftersom nanopartiklarna mättes med ett optiskt mikroskop, NIST -teamet kan också utforska sambandet mellan storleken på nanopartiklar och en annan nyckelegenskap - deras ljusstyrka. Att tydliggöra att sambandet är viktigt för att förstå egenskaperna hos sådana nanopartiklar som kvantpunkter för färgdisplayer, guld nanopartiklar för biomedicinska sensorer, och andra nanopartiklar för läkemedelsleverans.

Teamet redogjorde för deras process så att forskare vid NIST enkelt kan dra nytta av och anpassa processen för sitt eget arbete. Flera kunder till NIST:s användaranläggning för nanoteknik, centrum för nanoskala vetenskap och teknik, där arbetet utfördes, har uttryckt intresse för att anpassa tekniken för att mäta både storlek och ljusstyrka på nanopartiklar i dessa konsumentprodukter.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.