Les scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie sont les premiers à exploiter un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) pour écrire directement de minuscules motifs dans de l'encre métallique, " formant des caractéristiques dans un liquide qui sont plus fines que la moitié de la largeur d'un cheveu humain.

Le processus automatisé est contrôlé en tissant le faisceau d'électrons d'un instrument STEM à travers une cellule remplie de liquide pour stimuler le dépôt de métal sur une micropuce en silicium. Les motifs créés sont "à l'échelle nanométrique, " ou sur l'échelle de taille des atomes ou des molécules.

Habituellement, la fabrication de motifs à l'échelle nanométrique nécessite une lithographie, qui utilise des masques pour empêcher le matériel de s'accumuler sur les zones protégées. La nouvelle technologie d'écriture directe de l'ORNL est comme la lithographie sans masque.

Les détails de cette capacité unique sont publiés en ligne dans Nanoéchelle , un journal de la Royal Society of Chemistry, et les chercheurs déposent une demande de brevet. La technique peut fournir une nouvelle façon d'adapter les dispositifs pour l'électronique et d'autres applications.

« Nous pouvons désormais déposer des métaux de haute pureté sur des sites spécifiques pour construire des structures, avec des propriétés matérielles adaptées à une application spécifique, " a déclaré l'auteur principal Raymond Unocic du Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL. "Nous pouvons personnaliser les architectures et les chimies. Nous ne sommes limités que par des systèmes solubles dans le liquide et pouvant subir des réactions chimiques."

Les expérimentateurs ont utilisé des images en niveaux de gris pour créer des modèles à l'échelle nanométrique. Ensuite, ils ont envoyé des électrons dans une cellule remplie d'une solution contenant du chlorure de palladium. Le palladium pur s'est séparé et s'est déposé partout où le faisceau d'électrons passait.

Les environnements liquides sont un must pour la chimie. Les chercheurs avaient d'abord besoin d'un moyen d'encapsuler le liquide afin que l'extrême sécheresse du vide à l'intérieur du microscope ne fasse pas évaporer le liquide. Les chercheurs ont commencé avec une cellule faite de micropuces avec une membrane en nitrure de silicium pour servir de fenêtre à travers laquelle le faisceau d'électrons pourrait passer.

Ensuite, ils devaient obtenir une nouvelle capacité à partir d'un instrument STEM. "C'est une chose d'utiliser un microscope pour l'imagerie et la spectroscopie. C'en est une autre de prendre le contrôle de ce microscope pour effectuer des réactions chimiques contrôlées et spécifiques au site à l'échelle nanométrique, " a déclaré Unocic. "Avec d'autres techniques de lithographie par faisceau d'électrons, il existe des moyens d'interfacer ce microscope où vous pouvez contrôler le faisceau. Mais ce n'est pas la façon dont les microscopes électroniques à balayage à transmission à correction d'aberration sont configurés. »

Entre Stephen Jesse, responsable du thème Transformations dirigées à l'échelle nanométrique du CNMS. Ce groupe examine les outils que les scientifiques utilisent pour voir et comprendre la matière et ses propriétés à l'échelle nanométrique sous un nouveau jour, et explore si ces outils peuvent également transformer la matière un atome à la fois et construire des structures avec des fonctions spécifiées. "Pensez à ce que nous faisons en travaillant dans des laboratoires à l'échelle nanométrique, " dit Jesse. " Cela signifie être capable d'induire et d'arrêter des réactions à volonté, ainsi que de les surveiller pendant qu'ils se produisent."

Jesse avait récemment développé un système qui sert d'interface entre un motif de nanolithographie et les bobines de balayage d'un STEM, et les chercheurs de l'ORNL l'avaient déjà utilisé pour transformer sélectivement les solides. Le microscope focalise le faisceau d'électrons sur une pointe fine, que les microscopistes pouvaient déplacer simplement en prenant le contrôle des bobines de balayage. Unocic avec Andrew Lupini, Albina Borisevich et Sergei Kalinin ont intégré le système de contrôle de balayage/nanolithographie de Jesse dans le microscope afin de pouvoir contrôler le faisceau entrant dans la cellule liquide. David Cullen a effectué une analyse chimique ultérieure.

"Cette nanolithographie induite par faisceau repose essentiellement sur le contrôle des réactions chimiques dans des volumes nanométriques avec un faisceau d'électrons énergétiques, " dit Jesse. Le système contrôle la position du faisceau d'électrons, vitesse et dose. La dose (le nombre d'électrons injectés dans le système) détermine la vitesse à laquelle les produits chimiques sont transformés.

Cette technologie à l'échelle nanométrique est similaire à des activités à plus grande échelle, comme l'utilisation de faisceaux d'électrons pour transformer des matériaux pour l'impression 3D à l'installation de démonstration de fabrication de l'ORNL. Dans ce cas, un faisceau d'électrons fait fondre la poudre pour qu'elle se solidifie, couche par couche, pour créer un objet.

"Nous faisons essentiellement la même chose, mais dans un liquide, " a déclaré Unocic. " Maintenant, nous pouvons créer des structures à partir d'une solution de précurseur en phase liquide dans la forme que nous voulons et la chimie que nous voulons, réglage des propriétés physicochimiques pour une application donnée."

Un contrôle précis de la position du faisceau et de la dose d'électrons produit des architectures sur mesure. L'encapsulation de différents liquides et leur écoulement séquentiel pendant la structuration personnalisent également la chimie.

La résolution actuelle des "pixels" métalliques que l'encre liquide peut écrire directement est de 40 nanomètres, ou deux fois la largeur d'un virus de la grippe. Dans les travaux futurs, Unocic et ses collègues aimeraient pousser la résolution vers le bas pour se rapprocher de l'état de l'art de la nanolithographie conventionnelle, 10 nanomètres. Ils aimeraient également fabriquer des structures à plusieurs composants.

Le titre de l'article est "Transformations en phase liquide à écriture directe avec un microscope électronique à transmission à balayage".