Laserinterferenslitografi är uppfunnen för flytande metall med nanomönster (LM). Upplösningen i LM-mönster bryter den optiska gränsen för laserstrålar. Pulsad laserinducerad komprimering möjliggör enhetliga 500-nm LM nanolager. Det robusta oxidskalet på LM ökar de mekaniska egenskaperna och tillförlitligheten. Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
I en ny rapport som nu publicerats i Matter, Licong An och ett team av forskare inom materialteknik, industriteknik och nanoteknikcentret vid Purdue University, USA och Wuhan University, Kina, beskrev en avancerad laserlitografimetod. Tekniken underlättade bildandet av elektroniskt självskyddande flytande metallmönster med funktionsstorlekar i sub-mikroskalan, för att bilda ett av metallytmönstren med högsta upplösning hittills. Den unika strukturen och robusta mönstren erbjöd elektrisk funktionalitet trots yttre skador. Sådana högupplösta, elektriska, självskyddande material är lämpliga för nästa generations nanoapplikationer.
Vi introducerar en ny metod:Pulserad laserlitografi (PLL)
Området högdensitetselektronik är av stor betydelse inom materialteknik och lämpar sig för att forma högdensitetsmönster för integrerad elektronik i tuffa miljöer. Material- och industriforskare har använt rumstemperatur galliumindium (EGaIn) för att utveckla högdensitetsmönster på grund av deras distinkta egenskaper inklusive hög fluiditet, hög elektrisk ledningsförmåga och hög deformerbarhet. Forskningsinsatser för att utveckla högupplösta flytande metallmönster är baserade på litografimönster, bland en mängd olika metoder, med bred dragningskraft i elektroniska applikationer för flytande metallbatterier, mikrofluidik och energiinsamlingsanordningar.
I detta arbete beskrev huvudförfattaren och forskningsassistenten Licong An, som för närvarande är vid materialteknikavdelningen vid Purdue University, metoden som en "praktisk och skalbar teknik för att tillverka självförpackade, högupplösta flytande metallmönster." Teamet avser att "praktiskt sett integrera elektriska chips för användning i tuffa miljöer." Forskarna introducerade i första hand den pulsade laserlitografimetoden i detta arbete för att utveckla 3D flytande metallmönster med upplösning på submikronnivå, skyddad via ett mekaniskt stabilt oxidpaketskal. Licong An lyfte fram betydelsen av detta tillvägagångssätt:"För första gången kan enstegslitografimetoden användas direkt för att mönstra flytande metall", sa han.
Schematisk över bildandet av flytande metall nanomönster och ytmorfologier av laserbehandlade prover. (A) Schematisk bild av högupplöst flytande metall nanomönsterbildning. (B) Schematisk över bildandet av interferensstråle och laserlitografi-inducerade flytande metall nanomönster. (C) Ytmorfologi och EDX-kartläggning av provet efter lasersintring. Skalstång, 0,5 cm tum (C) och 10 mm tum (c-1, c-2, c-3, c-4). (D) Ytmorfologi och EDX-kartläggning av provet efter laserlitografi. De vita prickarna i (d-1) indikerar de ablationsinducerade oxidnanopartiklarna. Skalstång, 0,5 cm in (D) och 500 nm in (d-1, d-2, d-3, d-4). (E) Ytmorfologi och EDX-kartläggning av provet efter laserablation. Skalstång, 0,5 cm in (E) och 500 nm in (e-1, e-2, e-3, e-4). Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Han definierade vidare de praktiska implikationerna av metoden "på grund av den höga ytspänningen och flytande mönstren, jämfört med traditionell litografimönster. Detta är första gången som en litografimetod används för att direkt mönstra flytande metaller." Arbetet som beskrivs här är därför "ett första försök att introducera avancerad laserlitografi som en enstegsprocess för att direkt generera högeffektiva flytande metallmönster", sa han.
Experimenten:utveckling av nanopartiklar av flytande metall (LMNP)
Forskargruppen sammanfattade metoden för att utveckla högupplösta flytande metallmönster i fyra steg. Först sprutade de en flytande metallnanopartikel (LMNP) på ett substrat för att bilda en tunn LMNP-film. Fokuserade sedan den pulsade laserstrålen på den tunna filmytan, där infallsstrålen spreds på grund av dess ytnanostruktur, följt av ablation av LMNP och substrat där toppenergiintensiteten nådde en ablationströskel. Den laserinducerade chocken fungerade som en klämning för att generera tryck på de flytande metallpartiklarna och teamet använde laserenergi som huvudparameter för att kontrollera bildandet av högupplösta mönster. Teamet reglerade den ultrasnabba uppvärmnings- och avkylningshastigheten med laser, för att generera ett 3D-likformigt oxidskikt på 3D-arkitekturens övre yta, med förstärkt mekanisk stabilitet, för hög stabilitet vid yttre skador.
Karakterisering av flytande metall nano-mönster. (A) Tvärsnittsvy och EDX-kartläggning av nanomönster av flytande metall. Skalstång, 500 nm. (a-1) är ett inzoomat mönster, (a-2) (a-4) är EDX-mappningarna av det enda mönstret. Skalstapel från (a-1) till (a-4), 100 nm. (B) Ytmorfologi hos nanomönster av flytande metall. Skalstång, 1 mm. (C och D) Interferens elektriskt fält från den infallande strålen och de spridda fälten av flytande metall i den vertikala tvärsnittsvyn (C) och den ovanifrån (D). Skalstång, 1 mm. (E och F) AFM morfologi (E) och höjdprofil (F) av flytande metall nano-mönster. Skalstång, 1 mm. (G) Ett Eiffeltornmönster i regnbågsfärg inducerad av pulsad laserlitografi. Skalstång, 2 cm. (H) Reflektionskurva för mönsteryta och sprutade flytande metallnanopartiklar. (I och J) Numerisk toppvy (I) och tvärsnittsvy (J) av höjdprofilen för nanomönstren. (K) Förhållandet mellan upplösningen av flytande metallmönster och laserpunktstorleken. (L) Jämförelse av minsta linjebredd och linjeavstånd för föreliggande arbete och andra publicerade flytande metallmönstertekniker. Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Licong An betonade detta arbete som "ett av de högsta upplösta flytande metallmönstren hittills" och sa:"Högupplösta flytande metallmönster bibehöll funktionsstorlekar så små som 0,5 µm, med 0,5 µm linjeavstånd för att bilda ett av de högsta upplösning flytande metallmönster hittills på sub-mikronskalan."
Syntesen av flytande metallnanopartiklar (LMNP)
Forskargruppen utvecklade de flytande metallnanopartiklarna, enligt tidigare rapporter, genom att ultraljudsdispergera bulk EGaIn-legering i etanol för att bilda LMNP:er via molekylär självmontering, med en genomsnittlig diameter på cirka 200 nm. Ett tunt oxidskikt bildades också typiskt snabbt under sonikeringsprocessen för att hålla metallpartiklarna till sfäriska former. An et al. spraybelagda LMNPs som framställts på ett kiselbaserat substrat för att bilda en tunn film av nanopartiklar och höll den tunna filmen icke-ledande, samtidigt som en fiberlaserkälla användes för att producera nanopönstren. Licong An lyfte fram mekanismen för den avancerade laserlitografitekniken, "metoden kunde inducera ett högt lasertryck, för att fungera som en klämchock för att generera tryck på de flytande metallpartiklarna." Han fortsatte, "när klämningen går, extruderas 200 nm-partiklarna till ett 20 nm robust oxidskal, som fungerar som en robust förpackning för att skydda de flytande metallmönstren under från att skadas."
Strukturanalys av flytande metall nanomönster. (A) Kristalliniteten hos ytoxiderna av LMNP:er som sprayas, PLLed, as-peeled och asannealed oxidpaketskal och simulerade Ga2O3 XRD-toppar. (B) Ramanspektra av det glödgade galliumoxidskalet. (C och D) XPS-kurvor för Ga-O-bindningen. (C) XPS-analys som indikerar energitoppen för Ga 3d. (D) XPS-analys som indikerar energitoppen för Ga 2P. Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Forskarna bekräftade bildandet av laserinducerade periodiska flytande metallmönster via energispridande röntgenspektroskopimetoder och elementära kartläggningar för att visa närvaron av kisel, gallium och oxid, med flytande metall präglad på det underliggande substratet. Den banbrytande lasertekniken bröt också laserns optiska gräns. Licong An sa:"Alla vet att det finns en direkt korrelation mellan mönsterupplösningen i flytande metall och storleken på bearbetningsverktyget, vår banbrytande laserlitografi bröt denna allmänna kunskap och genererade mönster med submikronupplösning för första gången."
Han menar att "mönstren skulle kunna nå en mycket högre kalibrering om en laser med mindre våglängd används." Teamet simulerade också bildandet av nanomönster och betonade enstegsprocessen för direkt flytande metallmönsteravsättning; ett annat viktigt inslag i studien. De kombinerade en rad experimentella metoder för att karakterisera den egenutvecklade elementära sammansättningen av oxidpaketskalet som täcker de flytande metallnanopönstren med förstärkta mekaniska egenskaper - jämfört med redan existerande konventionella metoder för generering av flytande metallmönster.
Mekaniska och elektriska egenskaper hos nanomönster av flytande metall. (A) Kraft-förskjutningskurva för flytande metallnanomönster och flytande metallpartiklar. (B) Relativ förändring i motstånd (R/R0) som funktion av skadetiderna. (C–E) Bruten ytmorfologi efter mekanisk och termisk skada:(C), mekanisk skärning; (D) mekanisk repning; (E), laserskada. Skalstång, 500 nm. (F–I) Schema över nanomönstren av flytande metall utan skada (F), efter mekanisk skärning (G), efter mekanisk repning (H) och efter laserskada (I). (J–M) Schematisk beskrivning av det elektriska svaret av nanomönster av flytande metall utan skada (J), efter mekanisk skärning (K), efter mekanisk repning (L) och (M) efter laserskada. Kredit:Matter (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
På detta sätt utvecklade Licong An och kollegor elektroniskt självskyddande, högupplösta flytande metallmönster via en pulserad laserlitografi (PLL)-metod för att skapa ett av de flytande metallmönstren med högsta upplösning hittills. Teamet föreställer sig tillämpningar av det nya materialet i nästa generations nanoskala, med höga integrationstätheter, lämpade för krävande tillämpningar. Forskargruppen bestod av nyckelsamarbeten mellan huvudförfattaren och forskarkollegan Licong An och tvärvetenskapliga kollegor, inklusive professor Gary J. Cheng, en fellow i American Association for the Advancement of Science. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
