Al energizar moléculas precursoras utilizando un chorro supersónico de gas inerte de alta energía, los investigadores han acelerado drásticamente la fabricación de estructuras a escala nanométrica. La técnica de fabricación aditiva rápida también les permite producir estructuras con altas relaciones de aspecto. Ahora, una teoríadesarrollado para describir la técnica podría conducir a nuevas aplicaciones para la nanofabricación aditiva y nuevos materiales a nanoescala.
Basado en la deposición focalizada del haz de electrones, la técnica permite que las estructuras se fabriquen a partir de precursores de la fase gaseosa a velocidades cercanas a las esperadas en la fase líquida, todo sin elevar la temperatura de los sustratos. Eso podría conducir a la fabricación del nanómetro-Estructuras de escala a velocidades que podrían hacerlas prácticas para su uso en memoria magnética, antenas de alta frecuencia, dispositivos de comunicación cuántica, spintrónicos y resonadores de escala atómica.
"Estamos controlando la materia a escala atómica para lograr nuevos modos de fabricación aditiva", dijo Andrei Fedorov, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta nueva ciencia podría traersobre 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 al tratar de crear pequeñas estructuras utilizando los haces de electrones, que pueden tener solo unos pocos nanómetros de diámetro. La investigación fue respaldada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Y se informó el 28 de mayo en eldiario Física Química Física Química .
"Cuando fuimos al laboratorio para usar nanofabricación con haces de electrones enfocados, que son del tamaño de unos pocos nanómetros, no pudimos hacer crecer estructuras que solo eran unos pocos nanómetros. Crecieron a 50 o 100 nanómetros", explicó Fedorov"Y también tomó mucho tiempo producir las estructuras, lo que significa que, sin mejoras, nunca podríamos producirlas a un volumen alto".
Fedorov y sus colaboradores Matthew Henry y Songkil Kim se dieron cuenta de que las reacciones que producían las estructuras fueron lentas y vinculadas al estado termodinámico del sustrato en el que se cultivan. Decidieron agregar algo de energía al proceso para acelerar las cosastanto como cien veces más rápido.
El resultado fue la invención de un inyector microcapilar de 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 al vacíocámara, el gas acelera a velocidades supersónicas. La energía del chorro supersónico excita las moléculas precursoras que se adsorben en el sustrato.
"Este estado térmico energético permite que los electrones del haz rompan mucho más fácilmente los enlaces químicos y, como 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 comprender cómo controlar el proceso y expandir sus aplicaciones, los investigadores querían crear una teoría para lo que estaban viendo. Utilizaron técnicas termométricas a nanoescala para medir la temperatura de los átomos adsorbidos- también conocido como adatoms - sometido al jet, y usó esa información para ayudar a comprender la física básica en el trabajo.
"Una vez que tenemos un modelo, se convierte esencialmente en una herramienta de diseño", dijo Fedorov. "Con esta comprensión y las capacidades que hemos demostrado, podemos expandirlas a otros campos como el autoensamblaje dirigido, el 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 principios básicos de la física detrás de él también podrían permitir que otros investigadores encuentren nuevas aplicaciones.
"Con esto, puede tener una tasa de crecimiento de casi el mismo orden de magnitud que con los precursores de fase líquida, pero aún así tener acceso a la riqueza de posibles precursores, la capacidad de manipular la aleación y toda la experiencia que tienedesarrollado a lo largo de los años con deposición en fase gaseosa ", dijo Fedorov." Esta tecnología nos permitirá hacer cosas a una escala que sea significativa desde un punto de vista práctico y rentable ".
La capacidad de producir rápidamente estructuras tridimensionales pequeñas podría abrir una gama de nuevas aplicaciones.
"Si puede adaptar las técnicas de escritura directa aditiva, esto podría traer muchas capacidades únicas para la memoria magnética, materiales superconductores, dispositivos cuánticos, circuitos electrónicos 3D y muchas cosas más", dijo. "Estas estructuras son actualmente muydifícil de hacer usando métodos convencionales "
Además 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 dramática del crecimiento de la nanoestructura sino también controlar con precisióncomposición 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 pueden lograrse mediante ninguna técnica de nanofabricación existente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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