Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía son los primeros en utilizar un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) para escribir directamente pequeños patrones en tinta metálica, "formando rasgos en líquido que son más finos que la mitad del ancho de un cabello humano.

El proceso automatizado se controla tejiendo el haz de electrones de un instrumento STEM a través de una celda llena de líquido para estimular la deposición de metal en un microchip de silicio. Los patrones creados son "nanoescala, "o en la escala de tamaño de átomos o moléculas.

Por lo general, la fabricación de patrones a nanoescala requiere litografía, que emplea máscaras para evitar que el material se acumule en las áreas protegidas. La nueva tecnología de escritura directa de ORNL es como la litografía sin máscara.

Los detalles de esta capacidad única se publican en línea en Nanoescala , una revista de la Royal Society of Chemistry, y los investigadores están solicitando una patente. La técnica puede proporcionar una nueva forma de adaptar los dispositivos para la electrónica y otras aplicaciones.

"Ahora podemos depositar metales de alta pureza en sitios específicos para construir estructuras, con propiedades de material personalizadas para una aplicación específica, "dijo el autor principal Raymond Unocic del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. "Podemos personalizar arquitecturas y químicas. Solo estamos limitados por sistemas que se pueden disolver en el líquido y pueden sufrir reacciones químicas".

Los experimentadores utilizaron imágenes en escala de grises para crear plantillas a nanoescala. Luego, enviaron electrones a una celda llena de una solución que contenía cloruro de paladio. El paladio puro se separó y se depositó por donde pasaba el haz de electrones.

Los entornos líquidos son imprescindibles para la química. Los investigadores primero necesitaban una forma de encapsular el líquido para que la sequedad extrema del vacío dentro del microscopio no evaporara el líquido. Los investigadores comenzaron con una celda hecha de microchips con una membrana de nitruro de silicio que sirviera como una ventana a través de la cual podría pasar el haz de electrones.

Luego, necesitaban obtener una nueva capacidad de un instrumento STEM. "Una cosa es utilizar un microscopio para obtener imágenes y espectroscopía. Otra es tomar el control de ese microscopio para realizar reacciones químicas a nanoescala controladas y específicas del sitio, "Dijo Unocic." Con otras técnicas de litografía por haz de electrones, Hay formas de interconectar ese microscopio donde se puede controlar el haz. Pero esta no es la forma en que se configuran los microscopios electrónicos de transmisión de barrido con corrección de aberraciones ".

Entra Stephen Jesse, líder del tema de Transformaciones Dirigidas a Nanoescala de CNMS. Este grupo analiza las herramientas que los científicos utilizan para ver y comprender la materia y sus propiedades a nanoescala desde una nueva perspectiva. y explora si esas herramientas también pueden transformar la materia un átomo a la vez y construir estructuras con funciones específicas. "Piense en lo que estamos haciendo trabajando en laboratorios a nanoescala, "Dijo Jesse." Esto significa ser capaz de inducir y detener reacciones a voluntad, así como monitorearlos mientras están sucediendo ".

Jesse había desarrollado recientemente un sistema que sirve como interfaz entre un patrón de nanolitografía y las bobinas de escaneo de STEM, y los investigadores de ORNL ya lo habían utilizado para transformar selectivamente sólidos. El microscopio enfoca el haz de electrones a un punto fino, qué microscopistas podrían mover simplemente tomando el control de las bobinas de exploración. Unocic con Andrew Lupini, Albina Borisevich y Sergei Kalinin integraron el sistema de control de escaneo / nanolitografía de Jesse dentro del microscopio para poder controlar el haz que ingresa a la celda líquida. David Cullen realizó un análisis químico posterior.

"Esta nanolitografía inducida por haz se basa fundamentalmente en el control de reacciones químicas en volúmenes a nanoescala con un haz de electrones energéticos, "dijo Jesse. El sistema controla la posición del haz de electrones, velocidad y dosis. La dosis (cuántos electrones se bombean al sistema) determina la rapidez con la que se transforman las sustancias químicas.

Esta tecnología a nanoescala es similar a las actividades a gran escala, como el uso de haces de electrones para transformar materiales para la impresión 3D en las instalaciones de demostración de fabricación de ORNL. En ese caso, un haz de electrones derrite el polvo para que se solidifique, capa por capa, para crear un objeto.

"Básicamente, estamos haciendo lo mismo, pero dentro de un liquido, "Unocic dijo." Ahora podemos crear estructuras a partir de una solución precursora en fase líquida en la forma que queremos y la química que queremos, ajustar las propiedades fisicoquímicas para una aplicación determinada ".

El control preciso de la posición del haz y la dosis de electrones produce arquitecturas a medida. Encapsular diferentes líquidos y hacerlos fluir secuencialmente durante el patrón también personaliza la química.

La resolución actual de los "píxeles" metálicos que la tinta líquida puede escribir directamente es de 40 nanómetros, o el doble del ancho de un virus de la influenza. En el trabajo futuro, A Unocic y sus colegas les gustaría reducir la resolución para acercarse al estado del arte de la nanolitografía convencional, 10 nanómetros. También les gustaría fabricar estructuras de varios componentes.

El título del artículo es "Transformaciones de fase líquida de escritura directa con un microscopio electrónico de transmisión de barrido".