Nanofabricación mediante nanomoldeo termomecánico

Mecanismo de nanomoldeo termomecánico (TMNM). (A) TMNM utiliza la temperatura y la presión mecánica para moldear la materia prima en matrices de nanomoldes. (B) Los mecanismos de transporte de material discutidos en esta escala de longitud dan como resultado una escala de longitud diferente, L versus d. La difusión masiva (Ec. 1) da como resultado L(d) ∝ const, la difusión interfacial da L(d)∝1d√ (Ec. 2) y, para un mecanismo de deslizamiento de dislocación, L(d) ∝dx (x ∈ [ 1,2]) (ecuación 3). (C) Los experimentos de escala L(d) revelan el mecanismo dependiente de la temperatura para TMNM de Ag. La difusión de interfase domina TMNM a altas temperaturas, T> 0,4 Tm, mientras que el deslizamiento de dislocación se hace cargo a bajas temperaturas, T <0,4 Tm. (D) Para comparar TMNM en diferentes sistemas, normalizamos la longitud de formación L a L'=L/8pΩtkBT−−−−√. Los valores absolutos de L determinados experimentalmente de Au, Ag y Cu sugieren un mecanismo de difusión de interfaz. Las líneas superpuestas representan la magnitud de la longitud de moldeo normalizada para la difusión de interfaz, (L′)2 =δDI/d y la difusión en masa, (L′)2~DL/4 (sección S3). (E y F) Imágenes de nanocables Ag correspondientes a los datos en (C). Crédito:Avances científicos, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

Los avances en nanotecnología requieren el desarrollo de métodos de nanofabricación para una variedad de materiales, elementos y parámetros disponibles. Los métodos existentes no poseen características específicas y los métodos generales de nanofabricación versátil siguen siendo esquivos. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Naijia Liu, Guannan Liu y un equipo de científicos en ingeniería mecánica y ciencia de los materiales de la Universidad de Yale y la Universidad de Connecticut en los EE. UU. describieron los mecanismos subyacentes del nanomoldeo termomecánico para revelar un enfoque de nanofabricación muy versátil. Según los resultados, pudieron regular, combinar y predecir la capacidad de desarrollar materiales generales con combinaciones de materiales y escalas de longitud. Los orígenes mecánicos del nanomoldeo termomecánico y su transición dependiente de la temperatura proporcionaron un proceso para combinar muchos materiales en nanoestructuras y proporcionar cualquier material en formas moldeables a nanoescala.

Nanomoldeo termomecánico (TMNM)

Los investigadores deben avanzar en los métodos de nanofabricación para desarrollar nanodispositivos en respuesta a las demandas cada vez mayores de aplicaciones a nanoescala. Por lo tanto, es ideal para facilitar un método de fabricación que pueda desarrollar una gama de materiales con diversas características, incluidas formas, longitudes y una nanoarquitectura elemental regulada. Las demandas pueden abarcar diversos campos que van desde la óptica, la electrónica, las ciencias de la vida y la recolección de energía hasta los materiales cuánticos. Si bien los investigadores ya han desarrollado muchos métodos para realizar tales aplicaciones, la mayoría de los métodos de nanofabricación son relativamente limitados. Para producir un método de nanofabricación versátil que proporcione un proceso para regular el tamaño, la forma, la química y la distribución elemental dentro del nanocable, los investigadores deben obtener conocimientos más profundos sobre los mecanismos subyacentes de fabricación, regulación de la longitud, composición de los elementos y su transporte. El nanomoldeo termomecánico (TMNM) es un avance reciente realizado en metales, que se puede explorar para la nanofabricación. En este trabajo, Liu et al. identificó los mecanismos subyacentes dependientes del tamaño y la temperatura de TMNM para ofrecer una variedad de materiales y combinaciones de materiales, así como distribuciones elementales en una variedad de materiales.

Materiales y escalas de longitud que se pueden realizar a través de TMNM. (A) La longitud de moldeo estimada en función de la dimensión de moldeo a la temperatura de moldeo intermedia muestra la transición del mecanismo de moldeo dominante en TMNM desde la difusión de interfaz controlada hasta el deslizamiento de dislocación. TMNM puede fabricar una amplia gama de escalas de longitud desde 5 nm (Ag, L ~ 8 μm) controladas por difusión hasta milímetros (Au, ~1 mm) por dislocación. (B) Estructuras jerárquicas de muestra de Au que se componen de un micropatrón hexagonal (1 mm, a través del deslizamiento de dislocación) combinado con matrices de nanocables (250 nm, a través de la difusión de la interfaz). (C) Relación de aspecto de moldeo calculada (L/d) según la ecuación. 2 para la difusión de interfase en función de la temperatura para materiales representativos de metales (azul), no metales (naranja), óxidos/cerámica (rojo) y fases ordenadas (verde), incluidos varios materiales funcionales. Crédito:Avances científicos, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

Comprender los mecanismos subyacentes de TMNM (nanomoldeo termomecánico)

Para desarrollar nanoestructuras, Liu et al. condujo la materia prima (prima) bajo una presión aplicada y una temperatura elevada en un molde duro nanopatrón. Estimaron la difusión masiva, la difusión de interfaz y el deslizamiento de dislocación para regular este proceso como mecanismos subyacentes. Para identificar los mecanismos fundamentales de TMNM, los científicos analizaron la longitud de moldeo frente a las condiciones de moldeo. La escala para la difusión masiva y de interfaz se basa en la Ley de Fick. Utilizaron experimentos de escalado para determinar los mecanismos de TMNM para un conjunto dado de parámetros de procesamiento para revelar TMNM dominado por difusión a altas temperaturas homólogas. Comparativamente, a bajas temperaturas homólogas, el mecanismo de deslizamiento de dislocación dominó el TMNM. Los hallazgos experimentales mostraron que tanto el mecanismo de difusión como el de dislocación podrían describirse mejor a través de una superposición de ambos mecanismos. Las transiciones en los mecanismos que controlan TMNM no solo ocurrieron solo con la temperatura, sino también con el tamaño del molde. Con este método, el equipo desarrolló nanocables ultrafinos de hasta 5 nm de diámetro mediante difusión. Sin embargo, fue un desafío desarrollar moldes con un diámetro más pequeño. Para formar alambres de un diámetro más pequeño, utilizaron un TMNM dominado por deslizamiento de dislocación. De esta forma, los investigadores pudieron utilizar un proceso de moldeo de un solo paso para desarrollar características tanto micro como nano basadas en mecanismos dominados por deslizamiento de dislocación y un mecanismo de difusión de interfaz, respectivamente. El método también permite la versatilidad en una gama de materiales que incluyen metales puros, elementos no metálicos, óxidos y cerámica.

TMNM utilizando materia prima multicapa. (A y B) Los nanocables de heteroestructura se fabrican cuando se utilizan capas como materia prima. Aquí, usamos capas de Ag/Cu como ejemplo. Las heteroestructuras fabricadas tienen regiones distintas de Ag y Cu esencialmente puros. Cuando se utiliza una estructura en capas de Ag/Cu con la capa de Ag mirando hacia el molde y el Cu lejos del molde, el orden en los nanocables de heteroestructura es idéntico al orden en la materia prima (A). Sin embargo, cuando se usa una estructura en capas de Cu/Ag con la capa de Cu mirando hacia el molde y la Ag alejada del molde, el orden en los nanocables de heteroestructura (Ag─Cu) se ha invertido con respecto al de la materia prima Cu/Ag (B). (C) Mecanismos de moldeo dependientes de la temperatura para Ag y Cu donde se muestra la temperatura de transición (Ttr), que indica la transición de un mecanismo de moldeo dominado por deslizamiento de dislocación a un mecanismo de moldeo dominado por difusión de interfaz. En el caso de (A) y (B), la difusividad de interfaz más alta en Ag da como resultado una Ttr más baja que Cu. Una temperatura de moldeo de Ttr, Ag

Desarrollo de heteroestructuras

Las condiciones experimentales también permitieron al equipo regular las distribuciones elementales y formar una gama de nanocables de heteroestructura, con particular interés para muchas aplicaciones, incluidos nanodispositivos con principios operativos que se basan en interfaces funcionales, fotodetectores, transistores de efecto de campo y diodos emisores de luz. Para mostrar el desarrollo de nanocables de heteroestructura utilizando TMNM, el equipo incorporó capas de cobre (Cu) y plata (Ag) y consideró diferentes órdenes de estas capas en la materia prima. Demostraron cómo el TMNM dominado por la difusión formaba nanocables de estructuras monocristalinas, mientras que los nanocables formados a través de un deslizamiento de dislocación eran policristalinos o mantenían una estructura de grano de "bambú". Liu et al. estudió más a fondo las heteroestructuras Cu-Ag y la interfaz Ag/Cu mediante microscopía electrónica de transmisión. Los resultados mostraron una interfaz nítida y limpia entre la plata y el cobre.

TMNM como caja de herramientas para el control de distribuciones elementales. El rango de distribuciones elementales que se pueden lograr a través de TMNM utilizando aleaciones o estructura en capas como materia prima. Mediante el uso de materias primas con diferentes combinaciones de materiales y teniendo en cuenta sus difusividades relativas y controlando los mecanismos de moldeo (moldeo por encima o por debajo de Ttr) de cada componente, podemos controlar la química y la estructura de los nanocables. En los 11 casos enumerados, se utilizan aleaciones homogéneas y materias primas de elementos estratificados. Sus difusividades relativas y Ttr para los elementos involucrados en relación con la temperatura de moldeo definen la distribución elemental dentro del nanocable. Puede ser una aleación homogénea (i a iii), un solo elemento (iv a vii) o nanocables heteroestructurados (viii a xi). La fila inferior muestra sistemas de ejemplo para los casos específicos. Crédito:Avances científicos, Doi:10.1126/sciadv.abi4567

Perspectiva

De esta forma, Naijia Liu y sus colegas demostraron la posibilidad de regular la distribución elemental en el nanocable mediante el diseño del procesamiento y las propiedades del material utilizando el proceso TMNM (nanomoldeo termomecánico) para lograr nanoestructuras versátiles. Un aspecto del experimento incluía la materia prima, que podía alearse o convertirse en estructuras en capas. El equipo consideró la difusividad relativa de los elementos para definir su presencia en la materia prima. Utilizando la técnica, Liu et al. podría desarrollar un nanocable de aleación homogénea. Destacaron cómo los mecanismos subyacentes de TMNM se basaban en transiciones dependientes de la temperatura y el tamaño. Por ejemplo, con altas temperaturas y pequeñas variaciones de tamaño, el método dependía de la difusión en la interfaz del material y el molde. A mayor tamaño y baja temperatura, el mecanismo de deslizamiento de dislocación dominó el resultado. La técnica descrita de nanomoldeo termomecánico es un poderoso cambio de paradigma para implementar nanoaplicaciones con las características deseadas a nanoescala. + Explora más