Создание сложных структур на микроскопическом уровне долгое время было сложной задачей для инженеров. Но новое исследование, проведённое в Технологическом институте Джорджии, показывает, как электронные пучки, уже широко используемые для визуализации и производства, могут стать сверхточными инструментами для создания структур из таких материалов, как медь.
Группа исследователей под руководством профессора Андрея Фёдорова из Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа обнаружила метод, который использует сфокусированные электронные пучки в жидкой среде для удаления или нанесения меди.
Всё зависит от химического состава окружающей среды. Регулируя количество аммиака в растворе, исследователи смогли контролировать, будет ли луч удалять материал или наносить его, что позволило эффективно создавать 3D-скульптуры на атомном уровне.
Их выводы были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Методы электронного пучка обычно используются для удаления материала или его добавления, но не для того и другого одновременно. В этом исследовании учёные разработали процесс, который может делать и то, и другое последовательно, используя одну и ту же установку.
В экспериментах они направили электронный пучок на медь, погружённую в водно-аммиачный раствор. При низких концентрациях аммиака луч прорезал узкие канавки глубиной всего 50 нанометров, что примерно в 2000 раз тоньше листа бумаги.
Со временем атомы меди, удалённые в процессе травления, начали повторно откладываться внутри канавок, образуя крошечные вертикальные структуры, похожие на пики внутри долин. Контролируя время воздействия электронов и количество электронов, попадающих на материал, можно было создавать более мелкие или более крупные узоры и структуры.
Когда команда увеличила концентрацию аммиака, химический состав изменился. Среда стала более восстанавливающей, что способствует накоплению меди, а не её удалению. В этом случае луч действовал как направляющий, определяя, где медь будет нанесена для формирования сложных наноструктур.
Ключ к такому точному контролю заключается в роли аммиака в жидком растворе. «Аммиак выполняет несколько важных функций. Он помогает переносить атомы меди в растворе, нейтрализует нежелательные реакции и делает среду более благоприятной для наращивания, а не травления», — сказал Аувайс Ахмед, ведущий автор исследования и докторант в школе Вудраффа.
Тщательно регулируя концентрацию аммиака и воздействие электронного пучка, команда смогла точно настроить форму и структуру медной поверхности с точностью до нанометра. Они также разработали модели и провели моделирование, чтобы лучше понять, как эти химические изменения влияют на поведение меди.
«Что интересно, мы не просто создаём или удаляем — мы динамически переключаемся между этими режимами в реальном времени», — сказал Фёдоров.
Возможность создавать поверхности на атомном уровне имеет широкие перспективы для будущих технологий. Этот новый метод может быть использован для создания сверхчувствительных научных инструментов, таких как микроскопические зонды и датчики, наноиглы для целенаправленной доставки лекарств или генов, а также трёхмерных слоёв проводки в компьютерных чипах нового поколения.
И поскольку подход химически настраиваемый, его можно будет применять и к другим материалам, помимо меди. «Это даёт нам гибкий новый инструмент для нанопроизводства», — сказал Ахмед. «Контролируя локальную химию, мы можем, по сути, одновременно 3D-печатать и вычитать, открывая новые возможности для проектирования и производства в нанотехнологиях».
Предоставлено Технологическим институтом Джорджии.