L'image colorisée au microscope électronique à balayage montre la position d'un dispositif thermique résistif RTD (thermomètre à l'échelle nanométrique) lorsque le substrat de dépôt se déplace par rapport au capillaire de la buse micro-taille pour l'injection de jet de gaz pour cartographier la température locale. La réponse thermique RTD a été utilisée pour valider la prédiction du modèle de l'état thermique de non-équilibre de l'adatome. Crédit :Matthew R. Henry
En dynamisant des molécules précurseurs à l'aide d'un minuscule jet supersonique à haute énergie de gaz inerte, les chercheurs ont considérablement accéléré la fabrication de structures à l'échelle nanométrique. La technique de fabrication additive rapide leur permet également de produire des structures avec des rapports d'aspect élevés. Maintenant, une théorie développée pour décrire la technique pourrait conduire à de nouvelles applications pour la nanofabrication additive et de nouveaux matériaux à l'échelle nanométrique.
Basé sur le dépôt par faisceau d'électrons focalisé, la technique permet de fabriquer des structures à partir de précurseurs en phase gazeuse à des vitesses approchant celles que l'on pourrait attendre en phase liquide, le tout sans élever la température des substrats. Cela pourrait conduire à la fabrication des structures à l'échelle nanométrique à des cadences qui pourraient les rendre pratiques pour une utilisation dans la mémoire magnétique, antennes haute fréquence, dispositifs de communication quantique, la spintronique et les résonateurs à l'échelle atomique.
« Nous maîtrisons la matière à l'échelle atomique pour faire émerger de nouveaux modes de fabrication additive, " a déclaré Andreï Fedorov, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Cette nouvelle science pourrait engendrer des applications de fabrication additive qui seraient autrement impossibles. La nouvelle technologie qui en résultera ouvrira de nouvelles dimensions pour la fabrication additive à l'échelle atomique."
Le travail est né de la frustration d'essayer de créer de petites structures en utilisant les faisceaux d'électrons, qui peut mesurer quelques nanomètres de diamètre. La recherche a été financée par l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis, et a été rapporté le 28 mai dans le journal Chimie Physique Physique Chimique .
« Quand nous sommes allés au laboratoire pour utiliser la nanofabrication avec des faisceaux d'électrons focalisés, qui ont la taille de quelques nanomètres, nous ne pouvions pas développer des structures de quelques nanomètres. Ils ont grandi à 50 ou 100 nanomètres, " Fedorov a expliqué. " Et il a également fallu beaucoup de temps pour produire les structures, ce qui voulait dire que, sans améliorations, nous ne serions jamais en mesure de les produire à grand volume."
Fedorov et ses collaborateurs Matthew Henry et Songkil Kim ont réalisé que les réactions produisant les structures étaient lentes, et liés à l'état thermodynamique du substrat sur lequel ils sont développés. Ils ont décidé d'ajouter de l'énergie au processus pour accélérer les choses, jusqu'à cent fois plus vite.
Le résultat a été l'invention d'un injecteur micro-capillaire de quelques micromètres de diamètre qui pourrait introduire de minuscules jets de molécules gazeuses dans la chambre de dépôt pour activer les précurseurs des structures à l'échelle nanométrique. En partie parce que le jet pénètre dans une chambre à vide, le gaz accélère à des vitesses supersoniques. L'énergie du jet supersonique excite les molécules précurseurs qui sont adsorbées sur le substrat.
La vue en coupe montre la densité moléculaire du jet de gaz supersonique lorsqu'il se dilate dans le vide et heurte un substrat, conduisant à un dépôt de matériau accéléré à partir d'un précurseur adsorbé énergisé. Crédit :Matthew R. Henry
"Cet état thermique énergétique permet aux électrons du faisceau de rompre beaucoup plus facilement les liaisons chimiques, et comme résultat, les structures se développent beaucoup plus vite, " Fedorov a déclaré. "Toute cette amplification, à la fois le transport de la molécule et la vitesse de réaction, sont exponentiels, ce qui signifie qu'un petit changement peut conduire à une augmentation spectaculaire des résultats."
Cela a été observé expérimentalement, mais pour comprendre comment contrôler le processus et étendre ses applications, les chercheurs voulaient créer une théorie pour ce qu'ils voyaient. Ils ont utilisé des techniques thermométriques à l'échelle nanométrique pour mesurer la température des atomes adsorbés - également appelés adatomes - soumis au jet, et utilisé cette information pour aider à comprendre la physique de base au travail.
"Une fois que nous avons un modèle, il devient essentiellement un outil de conception, " Fedorov a déclaré. "Avec cette compréhension et les capacités que nous avons démontrées, nous pouvons les étendre à d'autres domaines tels que l'auto-assemblage dirigé, croissance épitaxiale et d'autres domaines. Cela pourrait permettre à toute une série de nouvelles capacités d'utiliser ce type de nanofabrication à écriture directe."
Le développement du modèle et la compréhension des principes physiques qui le sous-tendent pourraient également permettre à d'autres chercheurs de trouver de nouvelles applications.
"Avec ça, vous pouvez avoir presque le même ordre de grandeur de taux de croissance que vous auriez avec des précurseurs en phase liquide, tout en ayant accès à la richesse des précurseurs possibles, la capacité de manipuler l'alliage, et toute l'expérience développée au fil des années avec le dépôt en phase gazeuse, " Fedorov a déclaré. "Cette technologie nous permettra de faire des choses à une échelle significative d'un point de vue pratique et rentable."
La capacité de produire rapidement de petits, les structures tridimensionnelles pourraient ouvrir une gamme de nouvelles applications.
"Si vous pouvez adapter les techniques d'écriture directe additives, cela pourrait apporter beaucoup de capacités uniques pour la mémoire magnétique, matériaux supraconducteurs, appareils quantiques, Circuits électroniques 3-D, et bien d'autres choses, ", a-t-il déclaré. "Ces structures sont actuellement très difficiles à réaliser en utilisant des méthodes conventionnelles."
Au-delà de l'utilisation des jets pour accélérer le dépôt de matériaux précurseurs déjà sur le substrat, les chercheurs ont également créé des jets hybrides qui contiennent à la fois du gaz inerte à haute énergie et des gaz précurseurs, qui permettent non seulement une accélération spectaculaire de la croissance des nanostructures, mais également un contrôle précis de la composition du matériau pendant la croissance. Dans les travaux futurs, les chercheurs prévoient d'utiliser ces approches hybrides pour permettre la formation de nanostructures avec une phase et une topologie qui ne peuvent être obtenues par aucune technique de nanofabrication existante.
