Variando la energía y la dosis de haces de electrones muy enfocados, Los investigadores han demostrado la capacidad de grabar y depositar patrones de nanoescala de alta resolución en capas bidimensionales de óxido de grafeno. La "escultura" aditiva / sustractiva 3-D se puede realizar sin cambiar la química de la cámara de deposición del haz de electrones, proporcionando las bases para la construcción de una nueva generación de estructuras a nanoescala.

Basado en técnicas de procesamiento inducido por haz de electrones enfocado (FEBID), el trabajo podría permitir la producción de nanoestructuras complejas 2-D / 3-D y nanodispositivos funcionales útiles en las comunicaciones cuánticas, sintiendo y otras aplicaciones. Para materiales que contienen oxígeno como el óxido de grafeno, el grabado se puede realizar sin introducir materiales externos, utilizando oxígeno del sustrato.

"Al sincronizar y sintonizar la energía del haz de electrones, podemos activar la interacción del rayo con el oxígeno en el óxido de grafeno para hacer el grabado, o interacción con hidrocarburos en la superficie para crear depósitos de carbono, "dijo Andrei Fedorov, profesor y Cátedra Rae S. y Frank H. Neely en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Con control a escala atómica, podemos producir patrones complicados utilizando procesos directos de eliminación de escritura. Los sistemas cuánticos requieren un control preciso a escala atómica, y esto podría permitir una gran cantidad de aplicaciones potenciales ".

La técnica fue descrita el 7 de agosto en la revista Interfaces y materiales aplicados ACS . El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., Ciencias Básicas de la Energía. Los coautores incluyeron investigadores de la Universidad Nacional de Pusan ​​en Corea del Sur.

La creación de estructuras a nanoescala se realiza tradicionalmente mediante un proceso de varios pasos de revestimiento fotorresistente y modelado mediante litografía de haz de electrones o foto. seguido de grabado o deposición en seco / húmedo a granel. El uso de este proceso limita la gama de funcionalidades y topologías estructurales que se pueden lograr, aumenta la complejidad y el costo, y los riesgos de contaminación de los múltiples pasos químicos, creando barreras para la fabricación de nuevos tipos de dispositivos a partir de materiales sensibles en 2-D.

FEBIP permite una química del material / sitio específico, procesamiento de escala atómica multimodo de alta resolución y proporciona oportunidades sin precedentes para "escritura directa, "patrón de superficie de un solo paso de nanomateriales 2-D con una capacidad de generación de imágenes in situ. Permite realizar un enfoque rápido multiescala / multimodo" de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba ", que van desde una manipulación a escala atómica hasta una modificación de superficie de gran área en nano y microescalas.

"Al ajustar el tiempo y la energía de los electrones, puede eliminar material o agregar material, ", Dijo Fedorov." No esperábamos que tras la exposición de electrones de óxido de grafeno comenzáramos a grabar patrones ".

Con óxido de grafeno, el haz de electrones introduce perturbaciones a escala atómica en los átomos de carbono dispuestos en 2-D y utiliza oxígeno incrustado como grabador para eliminar los átomos de carbono en patrones precisos sin la introducción de un material en la cámara de reacción. Fedorov dijo que cualquier material que contenga oxígeno podría producir el mismo efecto. "Es como si el óxido de grafeno tuviera su propio grabador, ", dijo." Todo lo que necesitamos para activarlo es 'sembrar' la reacción con electrones de la energía apropiada ".

Para agregar carbono, mantener el haz de electrones enfocado en el mismo lugar durante más tiempo genera un exceso de electrones de menor energía por interacciones del haz con el sustrato para descomponer las moléculas de hidrocarburo en la superficie del óxido de grafeno. En ese caso, los electrones interactúan con los hidrocarburos en lugar de los átomos de grafeno y oxígeno, dejando atrás átomos de carbono liberados como un depósito tridimensional.

"Dependiendo de la cantidad de electrones que le traigas, puede cultivar estructuras de diferentes alturas lejos de las ranuras grabadas o del plano bidimensional, ", dijo." Puedes pensar en ello casi como una escritura holográfica con electrones excitados, el sustrato y las moléculas adsorbidas se combinan en el momento y el lugar adecuados ".

El proceso debe ser adecuado para depositar materiales como metales y semiconductores, aunque sería necesario agregar precursores a la cámara para su creación. Las estructuras 3-D, solo nanómetros de altura, podrían servir como espaciadores entre capas de grafeno o como elementos de detección activos u otros dispositivos en las capas.

"Si desea utilizar grafeno o óxido de grafeno para dispositivos de mecánica cuántica, Debería poder colocar capas de material con una separación en la escala de átomos de carbono individuales, ", Dijo Fedorov." El proceso también podría utilizarse con otros materiales ".

Usando la técnica, Los haces de electrones de alta energía pueden producir tamaños de características de solo unos pocos nanómetros de ancho. Las trincheras grabadas en las superficies podrían rellenarse con metales mediante la introducción de átomos metálicos que contienen precursores.

Más allá de los patrones simples, el proceso también podría usarse para desarrollar estructuras complejas. "En principio, Podrías hacer crecer una estructura como una Torre Eiffel a nanoescala con todos los detalles intrincados, "Dijo Fedorov." Llevaría mucho tiempo, pero este es el nivel de control que es posible con la escritura por haz de electrones ".

Aunque los sistemas se han construido para utilizar múltiples haces de electrones en paralelo, Fedorov no cree que se utilicen en aplicaciones de gran volumen. Más como, él dijo, es un uso de laboratorio para fabricar estructuras únicas útiles para fines de investigación.

"Estamos demostrando estructuras que de otro modo serían imposibles de producir, ", dijo." Queremos permitir la explotación de nuevas capacidades en áreas como los dispositivos cuánticos. Esta técnica podría ser un facilitador de imaginación para nuevas físicas interesantes que se nos presenten con grafeno y otros materiales interesantes ".