En faisant varier l'énergie et la dose de faisceaux d'électrons étroitement focalisés, les chercheurs ont démontré la capacité à la fois de graver et de déposer des motifs nanométriques à haute résolution sur des couches bidimensionnelles d'oxyde de graphène. Le "sculptage" additif/soustractif 3-D peut être fait sans changer la chimie de la chambre de dépôt par faisceau d'électrons, jeter les bases de la construction d'une nouvelle génération de structures à l'échelle nanométrique.

Basé sur des techniques de traitement induit par faisceau d'électrons focalisés (FEBID), les travaux pourraient permettre la production de nanostructures complexes 2-D/3-D et de nanodispositifs fonctionnels utiles dans les communications quantiques, sentir, et d'autres applications. Pour les matériaux contenant de l'oxygène tels que l'oxyde de graphène, la gravure peut se faire sans introduire de matériaux extérieurs, en utilisant l'oxygène du substrat.

"En chronométrant et en ajustant l'énergie du faisceau d'électrons, on peut activer l'interaction du faisceau avec l'oxygène dans l'oxyde de graphène pour faire la gravure, ou interaction avec des hydrocarbures à la surface pour créer un dépôt de carbone, " a déclaré Andreï Fedorov, professeur et président Rae S. et Frank H. Neely à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Avec le contrôle à l'échelle atomique, nous pouvons produire des modèles compliqués en utilisant des processus directs d'écriture-suppression. Les systèmes quantiques nécessitent un contrôle précis à l'échelle atomique, et cela pourrait permettre une multitude d'applications potentielles."

La technique a été décrite le 7 août dans le journal Matériaux et interfaces appliqués ACS . Le travail a été soutenu par le Département américain de l'énergie Office of Science, Sciences fondamentales de l'énergie. Les coauteurs comprenaient des chercheurs de l'Université nationale de Pusan ​​en Corée du Sud.

La création de structures à l'échelle nanométrique se fait traditionnellement à l'aide d'un processus en plusieurs étapes de revêtement photorésistant et de structuration par photolithographie ou par faisceau d'électrons, suivi d'une gravure sèche/humide en vrac ou d'un dépôt. L'utilisation de ce procédé limite l'éventail des fonctionnalités et des topologies structurelles réalisables, augmente la complexité et le coût, et risque de contamination par les multiples étapes chimiques, créant des obstacles à la fabrication de nouveaux types de dispositifs à partir de matériaux 2D sensibles.

FEBIP permet une chimie des matériaux/spécifique au site, traitement à l'échelle atomique multimode haute résolution et offre des opportunités sans précédent pour "l'écriture directe, " la structuration de surface en une seule étape de nanomatériaux 2D avec une capacité d'imagerie in-situ. Elle permet de réaliser une approche rapide multi-échelle/multimode " top-down et bottom-up ", allant d'une manipulation à l'échelle atomique à une modification de surface de grande surface à l'échelle nano et micro.

"En réglant le temps et l'énergie des électrons, vous pouvez soit retirer de la matière, soit rajouter de la matière, " Fedorov a déclaré. "Nous ne nous attendions pas à ce que lors de l'exposition aux électrons de l'oxyde de graphène, nous commencions à graver des motifs."

Avec de l'oxyde de graphène, le faisceau d'électrons introduit des perturbations à l'échelle atomique dans les atomes de carbone disposés en 2D et utilise de l'oxygène incorporé comme agent de gravure pour éliminer les atomes de carbone selon des motifs précis sans introduction d'un matériau dans la chambre de réaction. Fedorov a déclaré que tout matériau contenant de l'oxygène pourrait produire le même effet. "C'est comme si l'oxyde de graphène portait son propre agent de gravure, " a-t-il dit. " Tout ce dont nous avons besoin pour l'activer, c'est de " semer " la réaction avec des électrons d'énergie appropriée. "

Pour ajouter du carbone, le fait de maintenir le faisceau d'électrons focalisé plus longtemps au même endroit génère un excès d'électrons de plus faible énergie par interactions du faisceau avec le substrat pour décomposer les molécules d'hydrocarbures à la surface de l'oxyde de graphène. Dans ce cas, les électrons interagissent avec les hydrocarbures plutôt qu'avec les atomes de graphène et d'oxygène, laissant derrière eux des atomes de carbone libérés sous forme de dépôt 3-D.

"En fonction du nombre d'électrons que vous lui apportez, vous pouvez faire pousser des structures de différentes hauteurs loin des rainures gravées ou du plan bidimensionnel, " a-t-il dit. " Vous pouvez le voir presque comme une écriture holographique avec des électrons excités, substrat et molécules adsorbées combinés au bon moment et au bon endroit."

Le procédé doit être adapté au dépôt de matériaux tels que les métaux et les semi-conducteurs, bien que des précurseurs devraient être ajoutés à la chambre pour leur création. Les structures 3D, à quelques nanomètres de haut, pourraient servir d'espaceurs entre les couches de graphène ou d'éléments de détection actifs ou d'autres dispositifs sur les couches.

"Si vous souhaitez utiliser du graphène ou de l'oxyde de graphène pour les dispositifs de mécanique quantique, vous devriez être capable de positionner des couches de matériau avec une séparation à l'échelle des atomes de carbone individuels, " Fedorov a déclaré. "Le processus pourrait également être utilisé avec d'autres matériaux."

En utilisant la technique, les faisceaux d'électrons à haute énergie peuvent produire des caractéristiques de quelques nanomètres de large. Les tranchées gravées dans les surfaces pourraient être remplies de métaux en introduisant des atomes métalliques contenant des précurseurs.

Au-delà des simples motifs, le processus pourrait également être utilisé pour développer des structures complexes. "En principe, vous pourriez faire pousser une structure comme une tour Eiffel à l'échelle nanométrique avec tous les détails complexes, " Fedorov a dit. "Cela prendrait beaucoup de temps, mais c'est le niveau de contrôle qui est possible avec l'écriture par faisceau d'électrons."

Bien que des systèmes aient été construits pour utiliser plusieurs faisceaux d'électrons en parallèle, Fedorov ne les voit pas être utilisés dans des applications à volume élevé. Plus probable, il a dit, est utilisé en laboratoire pour fabriquer des structures uniques utiles à des fins de recherche.

"Nous démontrons des structures qui seraient autrement impossibles à produire, ", a-t-il déclaré. "Nous voulons permettre l'exploitation de nouvelles capacités dans des domaines tels que les dispositifs quantiques. Cette technique pourrait être un catalyseur d'imagination pour une nouvelle physique intéressante à venir avec le graphène et d'autres matériaux intéressants. »