La capacidad de modelar materiales en tamaños cada vez más pequeños, utilizando litografía por haz de electrones (EBL), en el que un material sensible a los electrones se expone a un haz de electrones enfocado, como método principal, está impulsando los avances en nanotecnología. Cuando el tamaño de la característica de los materiales se reduce de la macroescala a la nanoescala, Los átomos y moléculas individuales se pueden manipular para alterar drásticamente las propiedades de los materiales, como el color, reaccion quimica, conductividad eléctrica, e interacciones ligeras.

En la búsqueda constante de patrones de materiales con tamaños de características cada vez más pequeños, Los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, han establecido recientemente un nuevo récord. Realización de EBL con un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM), han modelado películas delgadas del polímero poli (metacrilato de metilo), o PMMA, con características individuales tan pequeñas como un nanómetro (nm), y con un espaciado entre características de 11 nm, produciendo una densidad de área de casi un billón de características por centímetro cuadrado. Estos logros récord se publican en la edición en línea del 18 de abril de Nano letras .

"Nuestro objetivo en CFN es estudiar cómo la óptica, eléctrico, térmico, y otras propiedades de los materiales cambian a medida que los tamaños de sus características se hacen más pequeños, "dijo el autor principal, Vitor Manfrinato, investigador asociado en el grupo de microscopía electrónica de CFN que comenzó el proyecto como usuario de CFN mientras completaba su trabajo de doctorado en el MIT. "Hasta ahora, modelar materiales en un solo nanómetro no ha sido posible de una manera controlable y eficiente ".

Los instrumentos comerciales de EBL suelen modelar materiales en tamaños entre 10 y 20 nanómetros. Las técnicas que pueden producir patrones de mayor resolución requieren condiciones especiales que limitan su utilidad práctica o ralentizan drásticamente el proceso de creación de patrones. Aquí, los científicos empujaron los límites de resolución de EBL al instalar un generador de patrones, un sistema electrónico que mueve con precisión el haz de electrones sobre una muestra para dibujar patrones diseñados con software de computadora, en uno de los STEM corregidos por aberraciones de CFN, un microscopio especializado que proporciona un haz de electrones enfocado a escala atómica.

"Convertimos una herramienta de imágenes en una herramienta de dibujo que es capaz no solo de tomar imágenes de resolución atómica sino también de hacer estructuras de resolución atómica, "dijo el coautor Aaron Stein, científico senior del grupo de nanomateriales electrónicos de CFN.

Sus mediciones con este instrumento muestran una reducción de casi un 200 por ciento en el tamaño de la característica (de 5 a 1,7 nm) y un aumento del 100 por ciento en la densidad del patrón de área (de 0,4 a 0,8 billones de puntos por centímetro cuadrado, o de 16 a 11 nm de espacio entre características) sobre informes científicos anteriores.

Las películas de PMMA estampadas del equipo se pueden utilizar como plantillas para transferir la función nanométrica de un solo dígito dibujada a cualquier otro material. En este trabajo, Los científicos crearon estructuras de menos de 5 nm tanto en materiales metálicos (oro paladio) como semiconductores (óxido de zinc). Sus características de paladio de oro fabricado eran tan pequeñas como seis átomos de ancho.

A pesar de esta demostración récord, el equipo sigue interesado en comprender los factores que aún limitan la resolución, y finalmente empujando EBL a su límite fundamental.

"La resolución de EBL puede verse afectada por muchos parámetros, incluidas las limitaciones del instrumento, interacciones entre el haz de electrones y el material polimérico, dimensiones moleculares asociadas con la estructura del polímero, y procesos químicos de la litografía, "explicó Manfrinato.

Un resultado interesante de este estudio fue la constatación de que las películas de polímero se pueden modelar en tamaños mucho más pequeños que el radio efectivo de 26 nm de la macromolécula de PMMA. "Las cadenas de polímeros que componen una macromolécula de PMMA tienen un millón de monómeros (moléculas) que se repiten, en una película, estas macromoléculas están todas enredadas y formadas, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Próximo, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."