Tiziana Bond, un ingénieur LLNL membre de l'équipe mixte de recherche, aidé à développer un moyen rentable et plus efficace de fabriquer des métaux nanoporeux à de nombreuses échelles, de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique, qui est visible à l'œil nu. Crédit :Julie Russell/LLNL
Les métaux nanoporeux - des matériaux de type mousse qui ont un certain degré de vide d'air dans leur structure - ont un large éventail d'applications en raison de leurs qualités supérieures.
Ils possèdent une surface élevée pour un meilleur transfert d'électrons, ce qui peut conduire à l'amélioration des performances d'une électrode dans un double condensateur électrique ou une batterie. Les métaux nanoporeux offrent un nombre accru de sites disponibles pour l'adsorption des analytes, une caractéristique hautement souhaitable pour les capteurs.
Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'Institut fédéral suisse de technologie (ETH) ont mis au point un moyen rentable et plus efficace de fabriquer des métaux nanoporeux à de nombreuses échelles, de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique, qui est visible à l'œil nu.
Le processus commence avec une plaquette de silicium de quatre pouces. Un revêtement de métal est ajouté et pulvérisé sur la plaquette. Or, l'argent et l'aluminium ont été utilisés pour ce projet de recherche. Cependant, le procédé de fabrication n'est pas limité à ces métaux.
Prochain, un mélange de deux polymères est ajouté au substrat métallique pour créer des motifs, un procédé connu sous le nom de lithographie de copolymère dibloc (BCP). Le motif est transformé en un seul masque en polymère avec des caractéristiques de taille nanométrique. Durer, une technique connue sous le nom de broyage par faisceau d'ions anisotrope (IBM) est utilisée pour graver à travers le masque pour faire un réseau de trous, créant le métal nanoporeux.
Pendant le processus de fabrication, la rugosité du métal est examinée en continu pour s'assurer que le produit fini a une bonne porosité, ce qui est essentiel pour créer les propriétés uniques qui font fonctionner les matériaux nanoporeux. Plus le métal est rugueux, moins il devient uniformément poreux.
« Lors de la fabrication, notre équipe a atteint 92% de couverture des pores avec 99% d'uniformité sur une plaquette de silicium de 4 pouces, ce qui signifie que le métal était lisse et uniformément poreux, " dit Tiziana Bond, un ingénieur LLNL membre de l'équipe mixte de recherche.
L'équipe a défini une métrique - basée sur une corrélation paramétrée entre la couverture des pores BCP et la rugosité de la surface du métal - par laquelle la fabrication de métaux nanoporeux doit être arrêtée lorsqu'une porosité inégale est le résultat connu, gain de temps et de coûts de traitement.
« La véritable avancée est que nous avons créé une nouvelle technique pour fabriquer des métaux nanoporeux qui est bon marché et peut être réalisée à de nombreuses échelles en évitant la technique du décollement pour éliminer les métaux, avec contrôle qualité en temps réel, " Bond a déclaré. "Ces métaux ouvrent l'espace d'application à des domaines tels que la récupération d'énergie, la détection et les études électrochimiques.
La technique lift-off est une méthode de modelage de matériaux cibles sur la surface d'un substrat en utilisant un matériau sacrificiel. L'un des plus gros problèmes de cette technique est que la couche métallique ne peut pas être décollée uniformément (ou pas du tout) à l'échelle nanométrique.
Les résultats de l'équipe de recherche ont été rapportés dans un article intitulé "Manufacturing over many scales:High fidelity macroscale cover of nanoporous metal arrays via lift-off-free nanofrabication". C'était la couverture d'un récent numéro de Interfaces de matériaux avancées .
D'autres applications des métaux nanoporeux incluent le soutien au développement de nouveaux métamatériaux (matériaux d'ingénierie) pour le filtrage et la manipulation améliorés par les rayonnements, y compris la lumière ultraviolette profonde. Ces applications sont possibles parce que les matériaux nanoporeux facilitent l'amélioration anormale de la lumière transmise (ou réfléchie) par l'effet tunnel des plasmons de surface, une fonctionnalité largement utilisable par les dispositifs électroluminescents, lithographie plasmonique, détection basée sur l'indice de réfraction et commutation tout optique.
