De gauche à droite :images au microscope électronique à balayage de nanopyramides d'argent et de filets de pêche en argent fabriqués par impression par choc laser.
Une nouvelle méthode qui crée des motifs à grande surface de nanoformes tridimensionnelles à partir de feuilles de métal représente un système de fabrication potentiel pour produire en masse à peu de frais des innovations telles que les « métamatériaux plasmoniques » pour les technologies de pointe.
Les métamatériaux ont des surfaces conçues qui contiennent des caractéristiques, des motifs ou des éléments à l'échelle du nanomètre qui permettent un contrôle sans précédent de la lumière et pourraient apporter des innovations telles que l'électronique à grande vitesse, capteurs avancés et cellules solaires.
La nouvelle méthode, appelée impression par choc laser, crée des formes à partir des formes cristallines des métaux, leur conférant potentiellement des propriétés mécaniques et optiques idéales à l'aide d'un système de paillasse capable de produire en masse les formes à moindre coût
Les résultats sont détaillés dans un article de recherche paru vendredi (12 décembre) dans la revue Science . L'article est rédigé par des chercheurs de l'Université Purdue, Université de Harvard, Institut d'études avancées de Madrid, et l'Université de Californie, San Diego. La recherche est dirigée par Gary Cheng, professeur agrégé de génie industriel à Purdue.
Les formes, qui comprennent les nanopyramides, engrenages, barres, des rainures et un motif résille, sont trop petits pour être vus sans instruments d'imagerie spécialisés et sont des milliers de fois plus minces que la largeur d'un cheveu humain. Les chercheurs ont utilisé leur technique pour emboutir des nanoformes en titane, aluminium, le cuivre, or et argent.
Un avantage clé du formage induit par les chocs est des coins et des caractéristiques verticales bien définis, ou des structures haute-fidélité.
"Ces nanoformes ont également des surfaces extrêmement lisses, ce qui est potentiellement très avantageux pour des applications commerciales, " a déclaré Cheng. "Traditionnellement, il a été très difficile de déformer un matériau cristallin dans un nanomoule beaucoup plus petit que la taille des grains des matériaux de départ, et en raison des effets de taille, les matériaux sont très résistants lorsque la taille des grains doit être réduite à de très petites tailles. Par conséquent, il est très difficile de générer un flux de métal dans des nanomoules avec une mise en forme 3D haute fidélité. »
Les chercheurs ont également créé des structures hybrides qui combinent le métal et le graphène, une feuille de carbone ultrafine prometteuse pour diverses technologies. Un tel matériau hybride pourrait renforcer l'effet plasmonique et apporter « des métamatériaux absorbants parfaits, " ou les AMP, qui ont des applications potentielles dans l'optoélectronique et les communications sans fil.
« Nous pouvons générer des nanomotifs sur des matériaux hybrides métal-graphène, qui ouvre de nouvelles voies pour modeler les cristaux 2-D, " dit Cheng.
La technique fonctionne en utilisant un laser pulsé pour générer une empreinte à « taux de déformation élevé » des métaux dans le nanomoule.
De gauche à droite :images au microscope électronique à balayage d'un réseau de nanoengrenages importés sur une feuille d'aluminium laminée à froid et des nanobarres.
"Nous commençons avec un film mince métallique, et nous pouvons le déformer en nanoformes 3D modelées sur de grandes surfaces, " a déclaré Cheng. " Ce qui est plus intéressant, c'est que les nanostructures 3D résultantes sont toujours cristallines après le processus d'impression, qui offre de bonnes propriétés électromagnétiques et optiques."
Alors que d'autres chercheurs ont créé des nanoformes à partir de matériaux relativement mous ou amorphes, la nouvelle recherche montre comment créer des nanoformes à partir de métaux durs et cristallins.
Les nanomoules de silicium ont été fabriqués au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue par un groupe de recherche dirigé par Minghao Qi, professeur agrégé de génie électrique et informatique.
"Il est contre-intuitif d'utiliser du silicium pour les moules car c'est un matériau assez fragile par rapport aux métaux, " dit Qi. " Cependant, après avoir déposé une couche ultrafine d'oxyde d'aluminium sur les nanomoules, il fonctionne extrêmement bien à cet effet. Les nanomoules pourraient être réutilisés plusieurs fois sans dommage évident. Une partie de la raison est que bien que le taux de déformation soit très élevé, la pression de choc appliquée n'est que d'environ 1-2 gigapascals."
Il a été démontré que les formes avaient un "rapport d'aspect" aussi élevé que 5, ce qui signifie que la hauteur est cinq fois supérieure à la largeur, une caractéristique importante pour la performance des métamatériaux plasmoniques.
De gauche à droite :images au microscope électronique à balayage d'un réseau de rainures en V triangulaires et d'un réseau de nanotranchées dans un film mince de titane.
"C'est une tâche très difficile d'un point de vue de fabrication pour créer ultra-lisse, nanostructures haute fidélité, » dit Qi. « Normalement, lorsque les métaux recristallisent, ils forment des grains et cela les rend plus ou moins rugueux. Des essais antérieurs pour former des nanostructures métalliques ont dû recourir à l'impression à très haute pression de métaux cristallins ou à l'impression de métal amorphe, qui donne soit une rugosité élevée dans les métaux cristallins, soit des surfaces lisses dans les métaux amorphes mais une résistance électrique très élevée. Pour des applications potentielles en nanoélectronique, optoélectronique et plasmonique vous voulez des propriétés telles que la haute précision, faible perte électromagnétique, conductivité électrique et thermique élevée. Vous voulez aussi qu'il soit d'une très grande fidélité au niveau du motif, coins pointus, parois latérales verticales, et ceux-ci sont très difficiles à obtenir. Avant la percée de Gary, Je pensais qu'il était peu probable d'atteindre toutes les bonnes qualités ensemble."
L'article a été rédigé par les doctorants de Purdue Huang Gao, Yaowu Hu, Ji Li, et Yingling Yang; le chercheur Ramses V. Martinez de l'Institut d'études avancées de Harvard et de Madrid; Professeur assistant de recherche Purdue Yi Xuan, Chunyu Li, associé de recherche de Purdue; Jian Luo, professeur à l'Université de Californie, San Diego; Qi et Cheng.
Les recherches futures pourraient se concentrer sur l'utilisation de la technique pour créer un système de fabrication rouleau à rouleau, qui est utilisé dans de nombreuses industries, y compris la production de papier et de tôle, et peut être important pour de nouvelles applications telles que l'électronique flexible et les cellules solaires.
