La imagen coloreada del microscopio electrónico de barrido muestra la posición de un dispositivo térmico resistivo RTD (termómetro a nanoescala) a medida que el sustrato de deposición se mueve en relación con el capilar de la boquilla de tamaño micro para la inyección de chorro de gas para mapear la temperatura local. La respuesta térmica RTD se utilizó para la validación del modelo de predicción del estado térmico de no equilibrio adatom. Crédito:Matthew R. Henry
Al energizar las moléculas precursoras con una pequeña, chorro supersónico de alta energía de gas inerte, Los investigadores han acelerado drásticamente la fabricación de estructuras a escala nanométrica. La técnica de fabricación aditiva rápida también les permite producir estructuras con relaciones de aspecto elevadas. Ahora, una teoría desarrollada para describir la técnica podría conducir a nuevas aplicaciones para la nanofabricación aditiva y nuevos materiales a nanoescala.
Basado en la deposición de haz de electrones enfocado, la técnica permite fabricar estructuras a partir de precursores de la fase gaseosa a velocidades que se acercan a lo que podría esperarse en la fase líquida, todo sin elevar la temperatura de los sustratos. Eso podría llevar a la fabricación de estructuras a escala nanométrica a velocidades que podrían hacerlas prácticas para su uso en memoria magnética. antenas de alta frecuencia, dispositivos de comunicación cuántica, espintrónica y resonadores de escala atómica.
"Estamos controlando la materia a escala atómica para generar nuevos modos de fabricación aditiva, "dijo Andrei Fedorov, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta nueva ciencia podría generar aplicaciones de fabricación aditiva que de otro modo serían imposibles. La nueva tecnología resultante abrirá nuevas dimensiones para la fabricación aditiva a escala atómica".
El trabajo surgió de la frustración de intentar crear pequeñas estructuras utilizando los haces de electrones, que puede tener solo unos pocos nanómetros de diámetro. La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., y fue reportado el 28 de mayo en la revista Física Química Física Química .
"Cuando fuimos al laboratorio para usar la nanofabricación con haces de electrones enfocados, que son del tamaño de unos pocos nanómetros, no podíamos cultivar estructuras que fueran de unos pocos nanómetros. Llegaron a tener 50 o 100 nanómetros, "Fedorov explicó." Y también tomó mucho tiempo producir las estructuras, lo que significaba que, sin mejoras, nunca podríamos producirlos a gran volumen ".
Fedorov y sus colaboradores Matthew Henry y Songkil Kim se dieron cuenta de que las reacciones que producían las estructuras eran lentas, y ligados al estado termodinámico del sustrato sobre el que se cultivan. Decidieron agregar algo de energía al proceso para acelerar las cosas, hasta cien veces más rápido.
El resultado fue la invención de un microinyector capilar de solo unos pocos micrómetros de diámetro que podría introducir pequeños chorros de moléculas gaseosas en la cámara de deposición para activar los precursores de las estructuras a escala nanométrica. En parte porque el chorro está entrando en una cámara de vacío, el gas acelera a velocidades supersónicas. La energía del chorro supersónico excita las moléculas precursoras que se adsorben al sustrato.
La vista en sección transversal muestra la densidad molecular del chorro de gas supersónico a medida que se expande en el vacío e incide sobre un sustrato, conduciendo a la deposición acelerada del material a partir de un precursor adsorbido energizado. Crédito:Matthew R. Henry
"Este estado térmico energético permite que los electrones del haz rompan los enlaces químicos con mucha más facilidad, y como un resultado, las estructuras crecen mucho más rápido, "Dijo Fedorov." Toda esta amplificación, tanto el transporte de moléculas como la velocidad de reacción, son exponenciales, lo que significa que un pequeño cambio puede conducir a un aumento dramático en el resultado ".
Eso se ha observado experimentalmente, pero para entender cómo controlar el proceso y expandir sus aplicaciones, los investigadores querían crear una teoría de lo que estaban viendo. Utilizaron técnicas termométricas a nanoescala para medir la temperatura de los átomos adsorbidos, también conocidos como adatomos, sometidos al chorro. y usó esa información para ayudar a comprender la física básica en el trabajo.
"Una vez que tengamos un modelo, esencialmente se convierte en una herramienta de diseño, ", Dijo Fedorov." Con este entendimiento y las capacidades que hemos demostrado, podemos expandirlos a otros campos como el autoensamblaje dirigido, crecimiento epitaxial y otras áreas. Esto podría permitir una gran cantidad de nuevas capacidades para utilizar este tipo de nanofabricación de escritura directa ".
El desarrollo del modelo y la comprensión de los primeros principios físicos detrás de él también podría permitir a otros investigadores encontrar nuevas aplicaciones.
"Con este, puede tener una tasa de crecimiento de casi el mismo orden de magnitud que la que tendría con los precursores en fase líquida, pero aún tienen acceso a la riqueza de posibles precursores, la capacidad de manipular la aleación, y toda la experiencia que se ha desarrollado a lo largo de los años con la deposición en fase gaseosa, ", Dijo Fedorov." Esta tecnología nos permitirá hacer las cosas a una escala significativa desde un punto de vista práctico y rentable ".
La capacidad de producir rápidamente pequeños, Las estructuras tridimensionales podrían abrir una gama de nuevas aplicaciones.
"Si puede adaptar técnicas aditivas de escritura directa, esto podría traer muchas capacidades únicas para la memoria magnética, materiales superconductores, dispositivos cuánticos, Circuitos electrónicos 3-D, y muchas mas cosas, ", dijo." Estas estructuras son actualmente muy difíciles de hacer utilizando métodos convencionales ".
Más allá de usar los chorros para acelerar la deposición de materiales precursores que ya están en el sustrato, Los investigadores también han creado chorros híbridos que contienen tanto gas inerte de alta energía como gases precursores, que permiten no solo una aceleración espectacular del crecimiento de la nanoestructura, sino que también controlan con precisión la composición del material durante el crecimiento. En el trabajo futuro, los investigadores planean utilizar estos enfoques híbridos para permitir la formación de nanoestructuras con fase y topología que no se pueden lograr con ninguna técnica de nanofabricación existente.
