Genom att aktivera prekursormolekyler med hjälp av en liten, högenergiöverljudsstråle av inert gas, forskare har dramatiskt accelererat tillverkningen av strukturer i nanometerskala. Den snabba additiv tillverkningstekniken tillåter dem också att producera strukturer med höga bildförhållanden. Nu, en teori utvecklad för att beskriva tekniken kan leda till nya tillämpningar för additiv nanotillverkning och nya nanoskala material.

Baserat på fokuserad elektronstråleavsättning, Tekniken tillåter att strukturer tillverkas av prekursorer i gasfas med hastigheter som närmar sig vad som kan förväntas i vätskefasen – allt utan att höja temperaturen på substraten. Det kan leda till tillverkning av strukturer i nanometerskala i hastigheter som kan göra dem praktiska för användning i magnetiskt minne, högfrekventa antenner, kvantkommunikationsenheter, spintronik och resonatorer i atomskala.

"Vi kontrollerar materia på atomär skala för att åstadkomma nya sätt för additiv tillverkning, sa Andrej Fedorov, en professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Denna nya vetenskap kan skapa tillämpningar för additiv tillverkning som annars skulle vara omöjliga. Den resulterande nya tekniken kommer att öppna upp nya dimensioner för additiv tillverkning i atomär skala."

Arbetet växte fram ur frustration över att försöka skapa små strukturer med hjälp av elektronstrålarna, som bara kan vara några nanometer i diameter. Forskningen stöddes av U.S. Department of Energy's Office of Science, och rapporterades 28 maj i tidskriften Fysikalisk kemi Kemisk fysik .

"När vi gick till labbet för att använda nanotillverkning med fokuserade elektronstrålar, som är storleken på några nanometer, vi kunde inte odla strukturer som bara var några nanometer. De växte till 50 eller 100 nanometer, "Fedorov förklarade. "Och det tog också lång tid att producera strukturerna, vilket innebar att utan förbättringar, vi skulle aldrig kunna producera dem i hög volym."

Fedorov och medarbetare Matthew Henry och Songkil Kim insåg att reaktionerna som producerade strukturerna var långsamma, och bundna till det termodynamiska tillståndet hos substratet på vilket de odlas. De bestämde sig för att lägga till lite energi i processen för att påskynda saker - så mycket som hundra gånger snabbare.

Resultatet var uppfinningen av en mikrokapillärinjektor bara några mikrometer i diameter som kunde introducera små strålar av gasformiga molekyler i avsättningskammaren för att aktivera prekursorerna för strukturerna i nanometerskala. Dels för att strålen kommer in i en vakuumkammare, gasen accelererar till överljudshastigheter. Energi från överljudsstrålen exciterar prekursormolekylerna som adsorberas till substratet.

"Detta energiska termiska tillstånd tillåter elektronerna från strålen att mycket lättare bryta kemiska bindningar, och som resultat, strukturer växer mycket snabbare, " sa Fedorov. "All denna förstärkning, både molekyltransporten och reaktionshastigheten, är exponentiella, vilket innebär att en liten förändring kan leda till en dramatisk ökning av resultatet."

Så mycket har observerats experimentellt, men för att förstå hur man styr processen och utökar dess applikationer, forskarna ville skapa en teori för vad de såg. De använde termometriska tekniker i nanoskala för att mäta temperaturen på de adsorberade atomerna - även kända som adatomer - som utsätts för strålen, och använde den informationen för att förstå den grundläggande fysiken i arbetet.

"När vi har en modell, det blir i grunden ett designverktyg, ", sa Fedorov. "Med denna förståelse och de förmågor vi har visat, vi kan utöka dem till andra områden som riktad självmontering, epitaxiell tillväxt och andra områden. Detta skulle kunna göra det möjligt för en hel mängd nya funktioner att använda den här typen av direkt-write nanotillverkning."

Utveckling av modellen och förståelse för de första principernas fysik bakom den skulle också kunna göra det möjligt för andra forskare att hitta nya tillämpningar.

"Med detta, du kan ha nästan samma storleksordning tillväxthastighet som du skulle ha med flytande fasprekursorer, men fortfarande har tillgång till rikedomen av möjliga prekursorer, förmågan att manipulera legering, och all erfarenhet som har utvecklats under åren med gasfasdeposition, "Fedorov sa. "Denna teknik kommer att tillåta oss att göra saker i en skala som är meningsfull ur praktisk synvinkel och kostnadseffektiv."

Möjligheten att snabbt producera små, tredimensionella strukturer kan öppna upp en rad nya tillämpningar.

"Om du kan anpassa additiv direktskrivteknik, detta kan ge många unika möjligheter för magnetiskt minne, supraledande material, kvantenheter, 3D elektroniska kretsar, och många fler saker, ", sa han. "Dessa strukturer är för närvarande mycket svåra att göra med konventionella metoder."

Förutom att använda strålarna för att påskynda avsättningen av prekursormaterial som redan finns på substratet, forskarna har också skapat hybridjets som innehåller både högenergisk inert gas och prekursorgaser, som inte bara tillåter dramatisk acceleration av tillväxten av nanostrukturen utan också exakt kontrollerar materialsammansättningen under tillväxten. I framtida arbete, forskarna planerar att använda dessa hybridmetoder för att möjliggöra bildandet av nanostrukturer med fas och topologi som inte kan uppnås med några befintliga nanotillverkningstekniker.