Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Matter, Licong An et une équipe de scientifiques en génie des matériaux, en génie industriel et au centre de nanotechnologie de l'Université Purdue, aux États-Unis, et de l'Université de Wuhan, en Chine, ont décrit une méthode avancée de lithographie au laser. La technique a facilité la formation de motifs de métal liquide électroniquement autoprotecteurs avec des tailles de caractéristiques à l'échelle submicronique, pour former l'un des motifs de surface métallique à la plus haute résolution à ce jour. La structure unique et les modèles robustes offraient une fonctionnalité électrique malgré les dommages externes. Ces matériaux à haute résolution, électriques et autoprotecteurs conviennent aux applications nano de nouvelle génération.

Introduction d'une nouvelle méthode :la lithographie laser pulsée (PLL)

Le domaine de l'électronique haute densité est d'une grande importance dans l'ingénierie des matériaux et est adapté pour former des modèles haute densité pour l'électronique intégrée dans des environnements difficiles. Les scientifiques des matériaux et de l'industrie ont utilisé l'indium gallium à température ambiante (EGaIn) pour développer des modèles à haute densité en raison de leurs propriétés distinctes, notamment une fluidité élevée, une conductivité électrique élevée et une déformabilité élevée. Les efforts de recherche pour développer des modèles de métal liquide à haute résolution sont basés sur la lithographie, parmi une gamme variée de méthodes, avec un large attrait dans les applications électroniques à travers les batteries à métal liquide, la microfluidique et les dispositifs de récupération d'énergie.

Dans ce travail, l'auteur principal et associé de recherche Licong An, qui travaille actuellement au département d'ingénierie des matériaux de l'Université Purdue, a décrit la méthode comme une "technique pratique et évolutive pour fabriquer des modèles de métal liquide auto-emballés et à haute résolution". L'équipe a l'intention "d'intégrer pratiquement des puces électriques pour une utilisation dans des environnements difficiles". Les scientifiques ont principalement introduit la méthode de lithographie par laser pulsé dans ce travail pour développer des motifs de métal liquide 3D avec une résolution de niveau submicronique, protégés par une coque en oxyde mécaniquement stable. Licong An a souligné l'importance de cette approche :"Pour la première fois, la méthode de lithographie en une étape peut être directement utilisée pour modeler le métal liquide", a-t-il déclaré.

Il a en outre défini les implications pratiques de la méthode "en raison de la tension superficielle élevée et des motifs fluides, par rapport à la lithographie traditionnelle. C'est la première fois qu'une méthode de lithographie est utilisée pour modeler directement des métaux liquides". Le travail décrit ici est donc "un premier effort pour introduire la lithographie laser avancée en tant que processus en une étape pour générer directement des motifs de métal liquide très efficaces", a-t-il déclaré.

Les expériences :développement de nanoparticules de métal liquide (LMNP)

L'équipe de recherche a résumé la méthode de développement de modèles de métal liquide à haute résolution en quatre étapes. Dans un premier temps, ils ont pulvérisé une nanoparticule de métal liquide (LMNP) sur un substrat pour former un film mince LMNP. Ensuite, le faisceau laser pulsé a été focalisé sur la surface du film mince, où le faisceau d'incidence s'est dispersé en raison de sa nanostructure de surface, suivi de l'ablation des LMNP et du substrat où l'intensité énergétique maximale a atteint un seuil d'ablation. Le choc induit par le laser a agi comme une pression pour générer une pression sur les particules de métal liquide et l'équipe a utilisé l'énergie laser comme paramètre principal pour contrôler la formation de motifs à haute résolution. L'équipe a régulé la vitesse de chauffage et de refroidissement ultrarapide par laser, pour générer une couche d'oxyde uniforme 3D sur la surface supérieure de l'architecture 3D, avec une stabilité mécanique renforcée, pour une stabilité élevée face aux dommages extérieurs.

Licong An a souligné ce travail comme "l'un des modèles de métal liquide à la plus haute résolution à ce jour", et a déclaré :"Les modèles de métal liquide à haute résolution ont conservé des tailles de caractéristiques aussi petites que 0,5 µm, avec un espacement de ligne de 0,5 µm pour former l'un des plus hauts modèles de métal liquide de résolution à ce jour à l'échelle du sous-micron."

La synthèse de nanoparticules de métal liquide (LMNP)

L'équipe de recherche a développé les nanoparticules de métal liquide, selon des rapports précédents, en dispersant par ultrasons un alliage EGaIn en vrac dans de l'éthanol, pour former des LMNP par auto-assemblage moléculaire, avec un diamètre moyen d'environ 200 nm. Une fine couche d'oxyde se forme également généralement rapidement pendant le processus de sonication pour maintenir les particules métalliques à des formes sphériques. Un et al. vaporiser les LMNP préparés sur un substrat à base de silicium pour former un film mince de nanoparticules et maintenir le film mince non conducteur, tout en utilisant une source laser à fibre pour produire les nanomotifs. Licong An a mis en évidence le mécanisme de la technique de lithographie laser avancée, "la méthode pourrait induire une pression laser élevée, pour agir comme un choc de compression pour générer une pression sur les particules de métal liquide". Il a poursuivi :"lorsque la compression passe, les particules de 200 nm sont extrudées dans une coque d'oxyde robuste de 20 nm, qui agit comme un boîtier robuste pour protéger les motifs de métal liquide en dessous contre les dommages."

Les scientifiques ont confirmé la formation de motifs périodiques de métal liquide induits par laser via des méthodes de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie et des cartographies élémentaires pour montrer la présence de silicium, de gallium et d'oxyde, avec du métal liquide imprimé sur le substrat sous-jacent. La technique laser révolutionnaire a également dépassé la limite optique du laser. Licong An a déclaré :« Tout le monde sait qu'il existe une corrélation directe entre la résolution du motif de métal liquide et la taille de l'outil de traitement, notre lithographie laser révolutionnaire a brisé cette connaissance commune, pour générer des motifs avec une résolution inférieure au micron pour la première fois.

Il pense que "les motifs pourraient atteindre un calibrage beaucoup plus élevé si un laser avec une longueur d'onde plus petite est utilisé". L'équipe a également simulé la formation de nanopatterns et mis l'accent sur le processus en une étape de dépôt direct de pattern de métal liquide; une autre caractéristique importante de l'étude. Ils ont combiné une gamme de méthodes expérimentales pour caractériser la composition élémentaire exclusive de la coque du boîtier d'oxyde recouvrant les nanomodèles de métal liquide avec des propriétés mécaniques renforcées, par rapport aux méthodes conventionnelles préexistantes de génération de modèles de métal liquide.

De cette façon, Licong An et ses collègues ont développé des motifs de métal liquide à haute résolution et autoprotecteurs électroniques via une méthode de lithographie laser pulsée (PLL) pour créer l'un des motifs de métal liquide à la plus haute résolution à ce jour. L'équipe envisage des applications du nouveau matériau dans les pratiques à l'échelle nanométrique de nouvelle génération, avec des densités d'intégration élevées, adaptées aux applications exigeantes. L'équipe de recherche comprenait des collaborations clés entre l'auteur principal et le chercheur Licong An, et des collègues interdisciplinaires, dont le professeur Gary J. Cheng, membre de l'Association américaine pour l'avancement des sciences. + Explorer plus loin

Fractales de métal liquide commandées en tension

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