Le groupe de Luis Fernando Velásquez-García au Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT développe des réseaux denses de cônes microscopiques qui exploitent les forces électrostatiques pour éjecter des flux d'ions.

La technologie a une gamme d'applications prometteuses :dépôt ou gravure de caractéristiques sur des dispositifs mécaniques à l'échelle nanométrique; filature de nanofibres pour une utilisation dans des filtres à eau, gilet pare-balles, et textiles "intelligents"; ou des systèmes de propulsion pour des « nanosatellites » de la taille d'un poing.

Dans le dernier numéro du IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, Velásquez-García, ses étudiants diplômés Eric Heubel et Philip Ponce de Leon, et Frances Hill, un post-doctorant dans son groupe, décrivent un nouveau prototype de réseau qui génère 10 fois le courant ionique par émetteur que les réseaux précédents.

Le courant ionique est une mesure de la charge transportée par les ions en mouvement, ce qui se traduit directement par la vitesse à laquelle les particules peuvent être éjectées. Des courants plus élevés promettent ainsi une fabrication plus efficace et des satellites plus agiles.

Le même prototype fourre également 1, 900 émetteurs sur une puce d'un centimètre carré seulement, quadrupler la taille de la matrice et la densité d'émetteur de même le meilleur de ses prédécesseurs.

« C'est un domaine qui profite de la miniaturisation des composants, parce que la réduction des émetteurs implique moins de consommation d'énergie, moins de tension de polarisation pour les faire fonctionner, et un débit plus élevé, " dit Velásquez-García, chercheur principal à MTL. « Le sujet que nous avons abordé est de savoir comment faire fonctionner ces appareils aussi près que possible de la limite théorique et comment nous pouvons augmenter considérablement le débit grâce au multiplexage, avec des appareils massivement parallèles qui fonctionnent de manière uniforme."

Quand Velásquez-García parle d'une « limite théorique, " il parle du moment où les gouttelettes - des amas de molécules - plutôt que des ions - des molécules individuelles - commencent à sortir des émetteurs. Entre autres problèmes, les gouttelettes sont plus lourdes, donc leur vitesse d'éjection est plus faible, ce qui les rend moins utiles pour la gravure ou la propulsion par satellite.

Les ions éjectés par le prototype de Velásquez-García sont produits à partir d'un sel ionique liquide à température ambiante. La tension de surface évacue le fluide du côté des émetteurs jusqu'à la pointe du cône, dont l'étroitesse concentre le champ électrostatique. À la pointe, le liquide est ionisé et, idéalement, éjecté une molécule à la fois.

Ralentir le flux

Lorsque le courant ionique dans un émetteur devient suffisamment élevé, la formation de gouttelettes est inévitable. Mais les réseaux d'émetteurs antérieurs – ceux construits à la fois par le groupe de Velásquez-García et par d'autres – étaient bien en deçà de ce seuil.

L'augmentation du courant ionique d'un réseau consiste à réguler le flux du sel ionique sur les côtés des émetteurs. Pour faire ça, les chercheurs du MIT avaient auparavant utilisé du silicium noir, une forme de silicium développé sous forme de poils étroitement serrés. Mais dans le nouveau travail, ils ont plutôt utilisé des nanotubes de carbone - des feuilles de carbone de l'épaisseur d'un atome roulées en cylindres - cultivés sur les pentes des émetteurs comme des arbres à flanc de montagne.

En adaptant soigneusement la densité et la hauteur des nanotubes, les chercheurs ont pu obtenir un écoulement de fluide permettant un courant ionique de fonctionnement très proche de la limite théorique.

"Nous montrons également qu'ils fonctionnent de manière uniforme, que chaque émetteur fait exactement la même chose, " dit Velásquez-García. C'est crucial pour les applications de nanofabrication, dans laquelle la profondeur d'une gravure, ou la hauteur des dépôts, doit être cohérent sur l'ensemble d'une puce.

Pour contrôler la croissance des nanotubes, les chercheurs recouvrent d'abord le réseau d'émetteurs d'un film de catalyseur ultrafin, qui est brisé en particules par des réactions chimiques à la fois avec le substrat et l'environnement. Ensuite, ils exposent le réseau à un plasma riche en carbone. Les nanotubes se développent sous les particules de catalyseur, qui s'asseyent sur eux, jusqu'à ce que le catalyseur se dégrade.

L'augmentation de la densité des émetteurs - l'autre amélioration signalée dans le nouveau document - était une question d'optimisation de la "recette de fabrication existante, " dit Velásquez-García. Les émetteurs, comme la plupart des dispositifs nanométriques en silicium, ont été réalisés par photolithographie, un processus dans lequel les motifs sont optiquement transférés sur des couches de matériaux déposés sur des plaquettes de silicium ; un plasma grave ensuite le matériau selon le motif. "La recette, ce sont les gaz, Puissance, niveau de pression, temps, et la séquence de la gravure, " dit Velásquez-García. " Nous avons commencé à faire des réseaux d'électrospray il y a 15 ans, et fabriquer différentes générations d'appareils nous a donné le savoir-faire pour les améliorer."

Nanoimpression

Velásquez-García pense que l'utilisation de réseaux d'émetteurs pour produire des nanodispositifs pourrait présenter plusieurs avantages par rapport à la photolithographie, la technique qui produit les réseaux eux-mêmes. Parce qu'ils peuvent fonctionner à température ambiante et ne nécessitent pas de chambre à vide, les matrices pourraient déposer des matériaux qui ne peuvent pas résister aux conditions extrêmes de nombreux processus de micro et nanofabrication. Et ils pourraient éliminer le processus fastidieux de dépôt de nouvelles couches de matériau, les exposer à des motifs optiques, les graver, puis recommencer.

"À mon avis, les meilleurs nanosystèmes vont se faire par impression 3D car cela contournerait les problèmes de microfabrication standard, " dit Velásquez-García. " Il utilise des équipements d'un coût prohibitif, qui nécessite un haut niveau de formation pour fonctionner, et tout est défini dans les plans. Dans de nombreuses applications, vous voulez la tridimensionnalité :l'impression 3D va faire une grande différence dans les types de systèmes que nous pouvons mettre en place et l'optimisation que nous pouvons faire. »

« Typiquement l'intérêt de ce type d'émetteur est de pouvoir émettre un faisceau d'ions et non un faisceau de gouttelettes, " dit Herbert Shea, professeur associé au Laboratoire des microsystèmes pour les technologies spatiales de l'École polytechnique fédérale de Lausanne. "En utilisant leur forêt de nanotubes, ils sont capables de faire fonctionner les appareils en mode ion pur, mais ont un courant élevé généralement associé au mode gouttelettes. »

Shea croit que, au moins à court terme, l'application la plus prometteuse de la technologie est la propulsion d'engins spatiaux. "Il faudrait beaucoup d'efforts pour en faire un outil de micro-usinage pratique, alors qu'il faudrait très peu d'efforts pour l'utiliser comme propulsion pour de petits engins spatiaux, " dit-il. " La raison pour laquelle vous aimeriez être en mode ionique est d'avoir la conversion la plus efficace de la masse du propulseur en quantité de mouvement du vaisseau spatial. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.