Se inventa la litografía de interferencia láser para el nanopatrón de metal líquido (LM). La resolución en patrones LM rompe el límite óptico de los rayos láser. La compresión inducida por láser pulsado permite obtener nanocapas LM uniformes de 500 nm. La robusta cubierta de óxido en LM aumenta las propiedades mecánicas y la confiabilidad. Crédito:Materia (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
En un nuevo informe publicado ahora en Matter, Licong An y un equipo de científicos en ingeniería de materiales, ingeniería industrial y el centro de nanotecnología de la Universidad de Purdue, EE. UU., y la Universidad de Wuhan, China, describieron un método avanzado de litografía láser. La técnica facilitó la formación de patrones de metal líquido autoprotectores electrónicamente con tamaños de características en la submicroescala, para formar uno de los patrones de superficie metálica de mayor resolución hasta la fecha. La estructura única y los patrones robustos ofrecieron funcionalidad eléctrica a pesar del daño externo. Estos materiales autoprotectores, eléctricos y de alta resolución son adecuados para aplicaciones nano de próxima generación.
Presentamos un nuevo método:litografía láser pulsada (PLL)
El campo de la electrónica de alta densidad es de gran importancia en la ingeniería de materiales y es adecuado para formar patrones de alta densidad para la electrónica integrada en entornos hostiles. Los científicos industriales y de materiales han utilizado galio indio (EGaIn) a temperatura ambiente para desarrollar patrones de alta densidad debido a sus propiedades distintivas, que incluyen alta fluidez, alta conductividad eléctrica y alta deformabilidad. Los esfuerzos de investigación para desarrollar patrones de metal líquido de alta resolución se basan en patrones de litografía, entre una amplia gama de métodos, con un amplio atractivo en aplicaciones electrónicas en baterías de metal líquido, microfluidos y dispositivos de recolección de energía.
En este trabajo, el autor principal e investigador asociado Licong An, que actualmente se encuentra en el departamento de ingeniería de materiales de la Universidad de Purdue, describió el método como una "técnica práctica y escalable para fabricar patrones de metal líquido de alta resolución autoempaquetados". El equipo tiene la intención de "prácticamente integrar chips eléctricos para su uso en entornos hostiles". Los científicos introdujeron principalmente el método de litografía por láser pulsado en este trabajo para desarrollar patrones de metal líquido en 3D con una resolución de nivel submicrónico, protegidos a través de una cubierta de paquete de óxido mecánicamente estable. Licong An destacó la importancia de este enfoque:"Por primera vez, el método de litografía de un solo paso se puede usar directamente para modelar metal líquido", dijo.
Esquema de la formación de nanopatrones de metal líquido y morfologías superficiales de muestras tratadas con láser. (A) Esquema de la formación de nanopatrones de metal líquido de alta resolución. (B) Esquema de la formación de haz de interferencia y nanopatrones de metal líquido inducidos por litografía láser. (C) Morfología superficial y mapeo EDX de la muestra después de la sinterización por láser. Barra de escala, 0,5 cm en (C) y 10 mm en (c-1, c-2, c-3, c-4). (D) Morfología superficial y mapeo EDX de la muestra después de la litografía láser. Los puntos blancos en (d-1) indican los ensamblajes de nanopartículas de óxido inducidos por ablación. Barra de escala, 0,5 cm en (D) y 500 nm en (d-1, d-2, d-3, d-4). (E) Morfología superficial y mapeo EDX de la muestra después de la ablación con láser. Barra de escala, 0,5 cm en (E) y 500 nm en (e-1, e-2, e-3, e-4). Crédito:Materia (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Además, definió las implicaciones prácticas del método "debido a la alta tensión superficial y los patrones de flujo, en comparación con los patrones de litografía tradicionales. Esta es la primera vez que se utiliza un método de litografía para modelar directamente metales líquidos". El trabajo descrito aquí es, por lo tanto, "un primer esfuerzo para introducir la litografía láser avanzada como un proceso de un solo paso para generar directamente patrones de metal líquido altamente eficientes", dijo.
Los experimentos:desarrollo de nanopartículas de metal líquido (LMNP)
El equipo de investigación resumió el método de desarrollo de patrones de metal líquido de alta resolución en cuatro pasos. Al principio, rociaron una nanopartícula de metal líquido (LMNP) sobre un sustrato para formar una película delgada de LMNP. Luego enfocó el rayo láser pulsado en la superficie de la película delgada, donde el rayo de incidencia se dispersó debido a su nanoestructura superficial, seguido de la ablación de los LMNP y el sustrato donde la intensidad de energía máxima alcanzó un umbral de ablación. El choque inducido por láser actuó como un apretón para generar presión sobre las partículas de metal líquido y el equipo usó energía láser como parámetro principal para controlar la formación de patrones de alta resolución. El equipo reguló la velocidad ultrarrápida de calentamiento y enfriamiento por láser, para generar una capa de óxido uniforme en 3D en la superficie superior de la arquitectura 3D, con estabilidad mecánica mejorada, para una alta estabilidad frente a daños exteriores.
Caracterización de los nano-patrones de metal líquido. (A) Vista de sección transversal y mapeo EDX de nanopatrones de metal líquido. Barra de escala, 500 nm. (a-1) es un patrón ampliado, (a-2) (a-4) son las asignaciones EDX del patrón único. Barra de escala de (a-1) a (a-4), 100 nm. (B) Morfología superficial de nanopatrones de metal líquido. Barra de escala, 1 mm. (C y D) Campo eléctrico de interferencia del haz incidente y los campos dispersos de metal líquido en la vista transversal vertical (C) y la vista superior (D). Barra de escala, 1 mm. (E y F) Morfología AFM (E) y perfil de altura (F) de nanopatrones de metal líquido. Barra de escala, 1 mm. (G) Un patrón de la Torre Eiffel en el color del arco iris inducido por litografía láser pulsada. Barra de escala, 2 cm. (H) Curva de reflectancia del área del patrón y nanopartículas de metal líquido pulverizadas. (I y J) Vista superior numérica (I) y vista transversal (J) del perfil de altura de los nanopatrones. (K) Relación entre la resolución de los patrones de metal líquido y el tamaño del punto láser. (L) Comparación del ancho mínimo de línea y el espacio entre líneas del presente trabajo y otras tecnologías de patrones de metal líquido publicadas. Crédito:Materia (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Licong An enfatizó este trabajo como "uno de los patrones de metal líquido de mayor resolución hasta la fecha" y dijo:"Los patrones de metal líquido de alta resolución mantuvieron tamaños de características tan pequeños como 0,5 µm, con un espacio entre líneas de 0,5 µm para formar uno de los más altos". resolución de patrones de metal líquido hasta la fecha en la escala submicrónica".
La síntesis de nanopartículas de metal líquido (LMNP)
El equipo de investigación desarrolló las nanopartículas de metal líquido, según informes anteriores, mediante la dispersión ultrasónica de aleación de EGaIn a granel en etanol, para formar LMNP mediante autoensamblaje molecular, con un diámetro promedio de aproximadamente 200 nm. Una fina capa de óxido también se formó típicamente rápidamente durante el proceso de sonicación para mantener las partículas de metal en formas esféricas. An et al. rociaron los LMNP preparados sobre un sustrato a base de silicio para formar una película delgada de nanopartículas y mantuvieron la película delgada no conductora, mientras usaban una fuente de láser de fibra para producir los nanopatrones. Licong An destacó el mecanismo de la técnica avanzada de litografía láser, "el método podría inducir una alta presión láser, para actuar como un choque de compresión para generar presión sobre las partículas de metal líquido". Continuó, "cuando pasa el apretón, las partículas de 200 nm se extruyen en una cubierta de óxido resistente de 20 nm, que actúa como un paquete robusto para proteger los patrones de metal líquido debajo de daños".
Análisis estructural de nano-patrones de metal líquido. (A) La cristalinidad de los óxidos superficiales de las carcasas de paquetes de óxido LMNP as-sprayed, as-PLLed, as-peel y asannealed y Ga2O3 XRD simulado. (B) espectros Raman de la capa de óxido de galio recocido. (C y D) Curvas XPS del enlace Ga-O. (C) Análisis XPS que indica el pico de energía de Ga 3d. (D) Análisis XPS que indica el pico de energía de Ga 2P. Crédito:Materia (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
Los científicos confirmaron la formación de patrones periódicos de metal líquido inducidos por láser a través de métodos de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía y mapeos elementales para mostrar la presencia de silicio, galio y óxido, con metal líquido impreso en el sustrato subyacente. La innovadora técnica láser también rompió el límite óptico del láser. Licong An dijo:"Todo el mundo sabe que existe una correlación directa entre la resolución del patrón de metal líquido y el tamaño de la herramienta de procesamiento. Nuestra innovadora litografía láser rompió este conocimiento común para generar patrones con resolución submicrónica por primera vez".
Él cree que "los patrones podrían alcanzar una calibración mucho más alta si se usa un láser con una longitud de onda más pequeña". El equipo también simuló la formación de nanopatrones y enfatizó el proceso de un solo paso de deposición directa de patrones de metal líquido; otra característica importante del estudio. Combinaron una variedad de métodos experimentales para caracterizar la composición elemental patentada de la cubierta del paquete de óxido que cubre los nanopatrones de metal líquido con propiedades mecánicas mejoradas, en comparación con los métodos convencionales preexistentes de generación de patrones de metal líquido.
Propiedades mecánicas y eléctricas de nano-patrones de metal líquido. (A) Curva de fuerza-desplazamiento de nanopatrones de metal líquido y partículas de metal líquido. (B) Cambio relativo en la resistencia (R/R0) en función de los tiempos de daño. (C-E) Morfología de la superficie rota después del daño mecánico y térmico:(C), corte mecánico; (D) rascado mecánico; (E), daños por láser. Barra de escala, 500 nm. (F-I) Esquemas de los nanopatrones de metal líquido sin ningún daño (F), después del corte mecánico (G), después del rayado mecánico (H) y después del daño por láser (I). (J–M) Esquema de la respuesta eléctrica de nanopatrones de metal líquido sin ningún daño (J), después del corte mecánico (K), después del rayado mecánico (L) y (M) después del daño por láser. Crédito:Materia (2022). DOI:10.1016/j.matt.2022.01.004
De esta manera, Licong An y sus colegas desarrollaron patrones de metal líquido de alta resolución autoprotegidos electrónicamente a través de un método de litografía láser pulsada (PLL) para crear uno de los patrones de metal líquido de mayor resolución hasta la fecha. El equipo prevé aplicaciones del nuevo material en prácticas a nanoescala de próxima generación, con altas densidades de integración, adecuadas para aplicaciones exigentes. El equipo de investigación estuvo compuesto por colaboraciones clave entre el autor principal y el investigador Licong An, y colegas interdisciplinarios, incluido el profesor Gary J. Cheng, miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia.
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