Concevoir une structure imprimée en 3D est déjà assez difficile lorsque le produit mesure des pouces ou des pieds. Imaginez le rétrécir plus petit qu'une goutte d'eau, plus petit qu'un cheveu humain, jusqu'à ce qu'il soit éclipsé par une bactérie commune.

Cette structure incroyablement petite peut devenir une réalité avec un dépôt induit par faisceau d'électrons focalisé, ou FEBID, pour imprimer essentiellement en 3D à l'échelle nanométrique. FEBID utilise un faisceau d'électrons provenant d'un microscope électronique à balayage pour condenser des molécules précurseurs gazeuses en un dépôt solide sur une surface.

Précédemment, cette méthode était laborieuse, sujet aux erreurs et peu pratique pour créer des structures complexes de plus de quelques nanomètres. Maintenant, une équipe du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, en collaboration avec l'Université du Tennessee et l'Université de technologie de Graz, a développé un puissant processus de rédaction guidé par simulation pour améliorer FEBID et introduire de nouvelles possibilités dans la nanofabrication.

Chef d'équipe Jason Fowlkes, un membre du personnel de recherche du Centre des sciences des matériaux en nanophase de l'ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a déclaré que le nouveau système intègre la conception et la construction dans un processus rationalisé qui crée des nanostructures 3-D complexes.

Harald Planche, co-auteur de l'étude à Graz, L'Autriche, a déclaré que la capacité de concevoir avec précision des nanostructures personnalisées "ouvre une multitude de nouvelles applications en plasmonique 3D, des nanocapteurs autonomes et des éléments nanomécaniques à l'échelle nanométrique inférieure qui sont presque impossibles à fabriquer par d'autres techniques."

Le processus utilise une simulation 3D pour guider le faisceau d'électrons et reproduire des réseaux et des maillages complexes d'une taille comprise entre 10 nanomètres et un micron. Le modèle suit les chemins de diffusion des électrons et la libération d'électrons secondaires pour prédire le schéma de dépôt à la surface du matériau et visualiser la structure finale d'une expérience.

L'aspect innovant de ce travail, selon Fowlkes, est la convergence de l'expérimentation et de la simulation. La simulation guide la construction expérimentale, tandis que les expériences terminées, à son tour, fournir des commentaires sur la précision et la force de la simulation. Les conceptions sont introduites dans le programme de simulation et de dessin, et toute incohérence entre les deux causée par l'activité électronique secondaire peut être détectée avant l'expérience.

« Dans sa forme la plus simple, une fois que nous connaissons le profil d'émission de ces électrons secondaires que nous ne voulons pas, nous pouvons concevoir autour d'eux, " a déclaré Fowlkes.

Bien que plus lente que les autres méthodes de nanofabrication disponibles dans la salle blanche du CNMS, le procédé FEBID est le seul à pouvoir produire des nanostructures 3D haute fidélité, dit Fowlkes. Sans aucun moyen de "voir" les nanostructures pendant la construction, les chercheurs s'appuyaient auparavant sur des essais et des erreurs, en ajustant manuellement les paramètres de construction pour produire les formes souhaitées.

Fowlkes a déclaré que l'équipe se concentrera désormais sur la purification complète des structures de la contamination par le carbone. Le processus de purification, appelée purification in situ, élimine les impuretés pendant la construction, en utilisant de l'eau ou de l'oxygène et un laser pour libérer le carbone résiduel du précurseur et le chasser de la structure. La simulation peut même intégrer les contraintes du processus de décarbonatation et peut anticiper la transformation dans le produit final.

"Nous pouvons concevoir des structures d'une manière où le modèle d'écriture réel peut sembler déformé, mais c'est en tenant compte du fait qu'il va se rétracter et se contracter pendant la purification et alors il ressemblera à la bonne structure, " a déclaré Fowlkes.