Los investigadores de microscopía electrónica del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado una forma única de construir estructuras tridimensionales con formas finamente controladas de tan solo una a dos mil millonésimas de metro.

El estudio ORNL publicado en la revista Pequeña demuestra cómo escanear microscopios electrónicos de transmisión, normalmente utilizado como herramientas de imagen, también son capaces de esculpir con precisión características tridimensionales de tamaño nanométrico en materiales de óxido complejos.

Al ofrecer precisión de un solo plano atómico, la técnica podría encontrar usos en la fabricación de estructuras para dispositivos funcionales a nanoescala, como microchips. Las estructuras crecen epitaxialmente, o en perfecta alineación cristalina, lo que asegura que las mismas propiedades eléctricas y mecánicas se extiendan por todo el material.

"Podemos hacer cosas más pequeñas con formas más precisas, "dijo Albina Borisevich de ORNL, quien dirigió el estudio. "El proceso también es epitaxial, lo que nos da un control mucho más pronunciado sobre las propiedades del que podríamos lograr con otros enfoques ".

Los científicos de ORNL descubrieron el método cuando estaban obteniendo imágenes de una película delgada de titanato de estroncio preparada de manera imperfecta. La muestra, consistente en un sustrato cristalino cubierto por una capa amorfa del mismo material, transformado cuando el haz de electrones lo atravesó. Un equipo del Instituto de Imagen Funcional de Materiales de ORNL, que une a científicos de diferentes disciplinas, trabajaron juntos para comprender y explotar el descubrimiento.

"Cuando expusimos la capa amorfa a un haz de electrones, parecía que lo empujamos hacia la adopción de su estado cristalino preferido, ", Dijo Borisevich." Hace eso exactamente donde está el haz de electrones ".

El uso de un microscopio electrónico de transmisión de barrido, que pasa un haz de electrones a través de un material a granel, diferencia el enfoque de las técnicas de litografía que solo modelan o manipulan la superficie de un material.

"Estamos utilizando un control preciso del rayo para construir algo dentro del propio sólido, ", dijo Stephen Jesse de ORNL." Estamos haciendo transformaciones que están enterradas profundamente dentro de la estructura. Sería como hacer un túnel dentro de una montaña para construir una casa ".

La técnica ofrece un atajo a los investigadores interesados ​​en estudiar cómo cambian las características de los materiales con el espesor. En lugar de obtener imágenes de varias muestras de diferentes anchos, los científicos podrían usar el método de microscopía para agregar capas a la muestra y simultáneamente observar lo que sucede.

"Toda la premisa de la nanociencia es que, a veces, cuando se encoge un material, este presenta propiedades muy diferentes a las del material a granel, ", Dijo Borisevich." Aquí podemos controlar eso. Si sabemos que existe cierta dependencia del tamaño, podemos determinar exactamente dónde queremos estar en esa curva e ir allí ".

Los cálculos teóricos en la supercomputadora Titán de ORNL ayudaron a los investigadores a comprender los mecanismos subyacentes del proceso. Las simulaciones mostraron que el comportamiento observado, conocido como proceso en cadena, es consistente con el haz de electrones que transfiere energía a átomos individuales en el material en lugar de calentar un área del material.

"Con el haz de electrones, estamos inyectando energía en el sistema y empujando hacia donde de otro modo iría por sí solo, dado suficiente tiempo, ", Dijo Borisevich." Termodinámicamente quiere ser cristalino, pero este proceso lleva mucho tiempo a temperatura ambiente ".

El estudio se publica como "Escultura a nivel atómico de óxidos cristalinos:hacia la nanofabricación masiva con precisión de un solo plano atómico".