Les chercheurs ont démontré un nouveau processus pour fabriquer rapidement des nanostructures tridimensionnelles complexes à partir d'une variété de matériaux, y compris les métaux. La nouvelle technique utilise la nanoélectrospray pour fournir un approvisionnement continu en précurseur liquide, qui peut inclure des ions métalliques qui sont convertis en métal de haute pureté par un faisceau d'électrons focalisé.

Le nouveau procédé génère des structures impossibles à réaliser en utilisant les techniques de dépôt induit par faisceau d'électrons focalisés en phase gazeuse (FEBID), et permet une fabrication à des vitesses jusqu'à cinq ordres de grandeur plus rapides que la technique en phase gazeuse. Et parce qu'il utilise des solvants liquides standards, le nouveau procédé pourrait tirer parti d'une large gamme de matériaux précurseurs. Plusieurs matériaux peuvent également être déposés simultanément.

"En nous permettant de faire croître des structures beaucoup plus rapidement avec une large gamme de précurseurs, cette technique ouvre vraiment une toute nouvelle direction pour créer une hiérarchie de structures tridimensionnelles complexes avec une résolution à l'échelle nanométrique à la vitesse requise pour l'évolutivité de la fabrication, " a déclaré Andreï Fedorov, professeur à la George Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Cela pourrait fournir un changement fondamental dans la façon dont ce domaine ira."

La recherche a été soutenue par l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis et rapportée dans la revue Lettres nano . Les applications pour l'écriture rapide par faisceau d'électrons de nanostructures 3D topologiquement complexes pourraient inclure de nouveaux types de topologies d'électrodes pour les batteries et les piles à combustible, mémoire électronique empilée verticalement, des substrats pour contrôler la différenciation cellulaire et de minuscules dispositifs de conversion électrochimique.

Dans le processus FEBID établi, un faisceau d'électrons est utilisé pour écrire des structures à partir de molécules adsorbées sur une surface solide qui fournit un support et des sites de nucléation pour la croissance du dépôt. Les précurseurs sont introduits dans la chambre du microscope électronique à vide poussé en phase gazeuse. Les électrons de haute énergie dans le faisceau interagissent avec le substrat pour produire les électrons secondaires de basse énergie, qui dissocient les molécules précurseurs adsorbées, résultant en un dépôt de matériau solide sur la surface du substrat.

Bien qu'il permette une fabrication précise atome par atome de nanostructures, le processus est très lent car la faible densité de molécules de gaz adsorbées dans l'environnement sous vide limite la quantité de matériau disponible pour la fabrication. Et les structures doivent être fabriquées à partir de la surface du substrat à un taux de croissance continuellement décroissant et à partir d'un nombre limité de gaz précurseurs disponibles.

Fedorov et ses collaborateurs ont considérablement accéléré le processus en introduisant des précurseurs en phase liquide chargés électriquement directement dans le vide poussé de la chambre du microscope électronique. Des précurseurs en phase liquide avaient déjà été mis en évidence, mais les matériaux devaient être enfermés dans une minuscule capsule où la réaction a eu lieu, limiter la flexibilité de fabrication, capacité et utilité de l'approche pour la nanofabrication 3D.

L'équipe de recherche - comprenant l'étudiant diplômé et premier auteur Jeffrey Fisher, le boursier postdoctoral Songkil Kim et l'ingénieur de recherche senior Peter Kottke - ont utilisé des solvants à faible volatilité tels que l'éthylène glycol, dissoudre un sel d'argent dans le liquide. En solution, le sel se dissocie en cations argent, permettant la production de dépôts métalliques d'argent par réaction de réduction électrochimique en utilisant des électrons secondaires solvatés plutôt que la décomposition moléculaire directe.

Le solvant contenant les ions matériels souhaités est introduit dans la chambre à l'aide d'un système de nanoélectrospray composé d'une minuscule buse de quelques microns de diamètre. En appliquant le champ électrique focalisé à la buse, le jet de fluide est aspiré et délivré au substrat en formant un film liquide mince contrôlé avec précision.

L'électrospray produit des gouttelettes chargées à l'échelle nanométrique à partir d'un jet conique Taylor de seulement 100 nanomètres de diamètre, qui fusionnent lors de l'impact et forment un film mince du précurseur sur le substrat solide.

L'équipe de recherche a utilisé le faisceau d'électrons lui-même pour visualiser le jet conique de Taylor dans l'environnement sous vide, la première fois que cela a jamais démontré, ainsi que de mesurer l'épaisseur du film liquide in situ en utilisant une "règle" nanométrique préfabriquée sur le substrat de dépôt. Le faisceau d'électrons balaie ensuite le film liquide selon un motif souhaité, produire des électrons d'énergie appropriés qui solvatent et réduisent les cations, des structures d'écriture en formation précise à partir du précurseur délivré par le jet électrifié. Bien que l'évaporation du solvant se produise, le nanoelectrospray peut maintenir un film stable suffisamment longtemps pour que les structures se forment.

L'association d'un précurseur plus dense, la réduction des problèmes de transfert de surface des matériaux et l'élimination du besoin de rompre les liaisons chimiques avec le faisceau d'électrons permettent de fabriquer jusqu'à cinq ordres de grandeur - un facteur 5, 000 – plus rapide que la technique précédente en phase gazeuse.

"En changeant l'énergie du faisceau et du courant, nous pouvons préférentiellement faire croître des nanostructures en 3D à une vitesse beaucoup plus rapide, " Fedorov a dit. " Tout d'un coup, il y a toute une série d'applications différentes qui n'étaient pas possibles auparavant."

Varier le type de précurseur, épaisseur de film, la concentration des ions et l'énergie et le courant du faisceau d'électrons contrôlent les types de structures qui peuvent être faites, dit Fedorov. Des structures telles que des ponts reliant des poteaux deviennent possibles parce que le matériau peut être écrit au-dessus des films minces.

Les chercheurs ont fabriqué des nanopiliers de carbone de cinq microns de haut, nanostructures en forme de paroi reliant deux nanopiliers, et des nanostructures en arc suspendues en forme de pont reliant les nanopiliers. Les structures nécessitaient des temps de croissance allant de 2 à 40 secondes. Des micropiliers en argent ont également été fabriqués.

Le nouveau procédé permet une grande flexibilité de fabrication, ouvrant la possibilité de déposer plus d'un matériau simultanément. Cela pourrait permettre la production d'alliages et de composites, comme des combinaisons d'argent et d'or. Ou, un matériau pourrait être utilisé comme modèle à revêtir par un autre matériau avec la simple substitution de matériaux précurseurs.

Jusque là, l'équipe de Georgia Tech a réalisé des structures d'argent et de carbone, mais le processus pourrait être utilisé pour fabriquer une large gamme de nanomatériaux métalliques et non métalliques. Les métaux produits à l'aide de la technique peuvent être très purs car une étape de dissociation des précurseurs producteurs de carbone peut être atténuée.

La prochaine étape sera de comprendre la physique et la chimie régissant le processus de fabrication pour permettre un contrôle plus précis et guider les autres qui pourraient souhaiter l'utiliser pour leurs propres applications spécifiques.

"Nous nous attendons à ce que le rôle des solvants soit très important dans les types de voies cinétiques que nous pouvons contrôler pour produire de nombreux types de structures avec la composition chimique souhaitée, " a déclaré Fedorov. "Cela nous donne l'occasion d'explorer un régime de chimie et de physique qui était auparavant en dehors de ce que nous pouvions étudier. Nous voulons établir une compréhension de la physique et de la chimie de base du processus."

Les travaux futurs comprendront une étude de la façon dont l'interaction des faisceaux avec différentes énergies, environnements sous vide, les solvants et les concentrations d'espèces ioniques affectent le résultat.

"Nous avons démontré que nous pouvons électrosprayer des précurseurs liquides dans un environnement sous vide poussé d'un microscope électronique, puis utiliser des électrons pour faciliter des transformations chimiques utiles, " a déclaré Fedorov. "Nous pensons que cela permettra aux scientifiques et aux ingénieurs de créer des structures dont ils ne pouvaient que rêver auparavant."