Genom att variera energin och dosen av hårt fokuserade elektronstrålar, forskare har visat förmågan att både etsa bort och deponera högupplösta mönster i nanoskala på tvådimensionella lager av grafenoxid. Den 3-D additiva/subtraktiva "skulptering" kan göras utan att ändra kemin i elektronstråleavsättningskammaren, ger grunden för att bygga en ny generation av strukturer i nanoskala.

Baserat på tekniker för fokuserad elektronstråleinducerad bearbetning (FEBID), arbetet skulle kunna möjliggöra produktion av 2-D/3-D komplexa nanostrukturer och funktionella nanoenheter användbara i kvantkommunikation, avkänning, och andra applikationer. För syrehaltiga material som grafenoxid, etsning kan göras utan att införa yttre material, använda syre från substratet.

"Genom att tajma och ställa in elektronstrålens energi, vi kan aktivera strålens interaktion med syre i grafenoxiden för att göra etsning, eller interaktion med kolväten på ytan för att skapa koldeposition, sa Andrej Fedorov, professor och Rae S. och Frank H. Neely ordförande vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Med kontroll i atomskala, vi kan producera komplicerade mönster med hjälp av direkta skriv-ta bort processer. Kvantsystem kräver exakt kontroll i atomär skala, och detta kan möjliggöra en mängd potentiella applikationer."

Tekniken beskrevs den 7 augusti i journalen ACS tillämpade material och gränssnitt . Arbetet stöddes av U.S. Department of Energy Office of Science, Grundläggande energivetenskap. Medförfattare inkluderade forskare från Pusan ​​National University i Sydkorea.

Skapande av strukturer i nanoskala görs traditionellt med en flerstegsprocess av fotoresistbeläggning och mönstring med foto- eller elektronstrålelitografi, följt av bulk torr/våt etsning eller deponering. Användning av denna process begränsar utbudet av funktionaliteter och strukturella topologier som kan uppnås, ökar komplexiteten och kostnaderna, och riskerar kontaminering från de flera kemiska stegen, skapa hinder för tillverkning av nya typer av enheter från känsliga 2D-material.

FEBIP möjliggör en materialkemi/platsspecifik, högupplöst multimode atomär skala bearbetning och ger oöverträffade möjligheter för "direkt-skriva, " enstegs ytmönstring av 2-D nanomaterial med en in-situ avbildningsförmåga. Det möjliggör förverkligande av en snabb multiskala/multimod "top-down och bottom-up" tillvägagångssätt, allt från manipulation i atomär skala till en ytmodifiering med stor yta på nano- och mikroskala.

"Genom att ställa in tiden och energin hos elektronerna, du kan antingen ta bort material eller lägga till material, " Sa Fedorov. "Vi förväntade oss inte att vid elektronexponering av grafenoxid skulle vi börja etsa mönster."

Med grafenoxid, elektronstrålen introducerar störningar i atomskala i de 2-D-arrangerade kolatomerna och använder inbäddat syre som etsmedel för att avlägsna kolatomer i exakta mönster utan införande av ett material i reaktionskammaren. Fedorov sa att alla syrehaltiga material kan ge samma effekt. "Det är som att grafenoxiden bär sitt eget etsmedel, ", sa han. "Allt vi behöver för att aktivera det är att "sådd" reaktionen med elektroner med lämplig energi."

För att lägga till kol, Att hålla elektronstrålen fokuserad på samma plats under en längre tid genererar ett överskott av lågenergielektroner genom interaktioner mellan strålen och substratet för att sönderdela kolvätemolekylerna på ytan av grafenoxiden. Isåfall, elektronerna interagerar med kolvätena snarare än grafen- och syreatomerna, lämnar efter sig frigjorda kolatomer som en 3D-avlagring.

"Beroende på hur många elektroner du tar till den, du kan odla strukturer av olika höjder bort från de etsade spåren eller från det tvådimensionella planet, " sa han. "Du kan tänka på det nästan som holografisk skrift med exciterade elektroner, substrat och adsorberade molekyler kombinerade vid rätt tidpunkt och på rätt plats."

Processen bör vara lämplig för avsättning av material som metaller och halvledare, även om prekursorer skulle behöva läggas till kammaren för att de ska skapas. 3D-strukturerna, bara nanometer hög, kan fungera som distanser mellan lager av grafen eller som aktiva avkänningselement eller andra enheter på lagren.

"Om du vill använda grafen eller grafenoxid för kvantmekaniska enheter, du ska kunna placera lager av material med en separation på skalan av enskilda kolatomer, "Fedorov sa. "Processen kan också användas med andra material."

Med hjälp av tekniken, högenergielektronstrålar kan producera funktionsstorlekar bara några nanometer breda. Diken etsade i ytor kunde fyllas med metaller genom att införa metallatomer innehållande prekursorer.

Utöver enkla mönster, processen kan också användas för att odla komplexa strukturer. "I princip, du kan odla en struktur som ett Eiffeltorn i nanoskala med alla intrikata detaljer, " sa Fedorov. "Det skulle ta lång tid, men det här är kontrollnivån som är möjlig med elektronstråleskrivning."

Även om system har byggts för att använda flera elektronstrålar parallellt, Fedorov ser inte att de används i applikationer med stora volymer. Mer troligt, han sa, är laboratorieanvändning för att tillverka unika strukturer användbara för forskningsändamål.

"Vi visar strukturer som annars skulle vara omöjliga att producera, " sa han. "Vi vill möjliggöra utnyttjandet av nya möjligheter inom områden som kvantenheter. Den här tekniken kan vara en fantasi som möjliggör intressant ny fysik som kommer vår väg med grafen och andra intressanta material."