La capacité de modeler des matériaux à des tailles toujours plus petites - en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons (EBL), dans lequel un matériau sensible aux électrons est exposé à un faisceau focalisé d'électrons, comme méthode principale, stimule les progrès de la nanotechnologie. Lorsque la taille des caractéristiques des matériaux est réduite de l'échelle macro à l'échelle nanométrique, les atomes et les molécules individuels peuvent être manipulés pour modifier considérablement les propriétés des matériaux, comme la couleur, réactivité chimique, conductivité électrique, et les interactions lumineuses.

Dans la quête permanente de matériaux de motifs avec des tailles de caractéristiques toujours plus petites, des scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory - ont récemment établi un nouveau record. Réaliser l'EBL avec un microscope électronique à transmission à balayage (STEM), ils ont des films minces à motifs du polymère poly(méthacrylate de méthyle), ou PMMA, avec des caractéristiques individuelles aussi petites qu'un nanomètre (nm), et avec un espacement entre les caractéristiques de 11 nm, produisant une densité surfacique de près d'un billion d'entités par centimètre carré. Ces réalisations record sont publiées dans l'édition en ligne du 18 avril de Lettres nano .

"Notre objectif au CFN est d'étudier comment l'optique, électrique, thermique, et d'autres propriétés des matériaux changent à mesure que la taille de leurs caractéristiques diminue, " a déclaré l'auteur principal Vitor Manfrinato, un associé de recherche dans le groupe de microscopie électronique du CFN qui a commencé le projet en tant qu'utilisateur du CFN tout en terminant ses travaux de doctorat au MIT. "Jusqu'à maintenant, modeler des matériaux à un seul nanomètre n'a pas été possible de manière contrôlable et efficace. »

Les instruments EBL commerciaux modèlent généralement des matériaux à des tailles comprises entre 10 et 20 nanomètres. Les techniques qui peuvent produire des motifs à plus haute résolution nécessitent des conditions spéciales qui limitent leur utilité pratique ou ralentissent considérablement le processus de création de motifs. Ici, les scientifiques ont repoussé les limites de résolution de l'EBL en installant un générateur de motifs - un système électronique qui déplace avec précision le faisceau d'électrons sur un échantillon pour dessiner des motifs conçus avec un logiciel informatique - dans l'un des STEM à correction d'aberration du CFN, un microscope spécialisé qui fournit un faisceau d'électrons focalisé à l'échelle atomique.

"Nous avons converti un outil d'imagerie en un outil de dessin capable non seulement de prendre des images à résolution atomique, mais aussi de créer des structures à résolution atomique, " a déclaré le co-auteur Aaron Stein, un scientifique senior dans le groupe des nanomatériaux électroniques au CFN.

Leurs mesures avec cet instrument montrent une réduction de près de 200 pour cent de la taille des caractéristiques (de 5 à 1,7 nm) et une augmentation de 100 pour cent de la densité du motif de surface (de 0,4 à 0,8 billion de points par centimètre carré, ou de 16 à 11 nm d'espacement entre les caractéristiques) par rapport aux rapports scientifiques précédents.

Les films PMMA à motifs de l'équipe peuvent être utilisés comme pochoirs pour transférer la caractéristique nanométrique à un chiffre dessinée dans n'importe quel autre matériau. Dans ce travail, les scientifiques ont créé des structures inférieures à 5 nm dans des matériaux à la fois métalliques (or palladium) et semi-conducteurs (oxyde de zinc). Leurs caractéristiques de palladium d'or fabriquées étaient aussi petites que six atomes de large.

Malgré cette démonstration record, l'équipe reste intéressée à comprendre les facteurs qui limitent encore la résolution, et finalement pousser l'EBL à sa limite fondamentale.

"La résolution de l'EBL peut être impactée par de nombreux paramètres, y compris les limitations de l'instrument, interactions entre le faisceau d'électrons et le matériau polymère, dimensions moléculaires associées à la structure du polymère, et procédés chimiques de lithographie, " expliqua Manfrinato.

Un résultat passionnant de cette étude a été la réalisation que les films polymères peuvent être modelés à des tailles beaucoup plus petites que le rayon effectif de 26 nm de la macromolécule PMMA. "Les chaînes polymères qui composent une macromolécule de PMMA sont longues d'un million de monomères (molécules) répétitifs - dans un film, ces macromolécules sont toutes enchevêtrées et enroulées, " said Stein. "We were surprised to find that the smallest size we could pattern is well below the size of the macromolecule and nears the size of one of the monomer repeating units, as small as a single nanometer."

Prochain, the team plans to use their technique to study the properties of materials patterned at one-nanometer dimensions. One early target will be the semiconducting material silicon, whose electronic and optical properties are predicted to change at the single-digit nanometer scale.

"This technique opens up many exciting materials engineering possibilities, tailoring properties if not atom by atom, then closer than ever before, " said Stein. "Because the CFN is a national user facility, we will soon be offering our first-of-a-kind nanoscience tool to users from around the world. It will be really interesting to see how other scientists make use of this new capability."