O método do feixe de elétrons permite escultura em nanoescala precisa e construção de estruturas de cobre

A criação de estruturas complexas nas pequenas escalas tem sido um desafio para os engenheiros. Mas novas pesquisas da Georgia Tech mostram como as vigas de elétrons, já amplamente utilizadas em imagens e fabricação, também podem ser usadas como ferramentas ultra-precisas para esculpir e construir estruturas a partir de materiais como o cobre.

O grupo de pesquisa do professor Andrei Fedorov, da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff, descobriu uma técnica que usa vigas de elétrons focadas em um ambiente líquido para remover ou depositar cobre, dependendo inteiramente da química circundante.

Ajustando a quantidade de amônia Na solução, os pesquisadores foram capazes de controlar se o feixe graveu o materials ou o depositou, permitindo efetivamente a escultura em 3D no nível atômico.

Suas descobertas foram publicadas em Materiais funcionais avançados.

Uma rua de mão dupla

Os métodos de feixe de elétrons são normalmente usados para remover o materials ou adicioná -lo, mas não os dois. Neste estudo, os pesquisadores desenvolveram um processo que pode fazer ou até ambos, em sequência, usando a mesma configuração.

Em experimentos, eles concentraram um feixe de elétrons em cobre submerso em uma solução de água-amônia. Com baixas concentrações de amônia, as trincheiras estreitas gravadas gravaram apenas 50 nanômetros de profundidade, aproximadamente 2.000 vezes mais finos que uma folha de papel.

Com o tempo, os átomos de cobre removidos no processo de gravação começaram a rejeitar dentro das trincheiras, formando pequenas estruturas verticais como picos dentro dos vales. Ao controlar o tempo de exposição a elétrons e o número de elétrons que atingem o materials, padrões e estruturas menores ou maiores podem ser criados.

Quando a equipe aumentou a concentração de amônia, a química mudou. O ambiente tornou -se mais reduzido, o que favorece o acúmulo de cobre do que sua remoção. Nesse caso, o feixe atuou como um guia, direcionando onde o cobre foi depositado para formar nanoestruturas complexas.

Amônia como um interruptor

A chave para isso controle preciso está no papel que a amônia desempenha na solução líquida.

“A amônia faz várias coisas importantes. Ajuda a carregar átomos de cobre Em solução, neutraliza as reações indesejadas e torna o meio ambiente mais favorável para a construção em vez de gravar “, disse Auwais Ahmed, principal autor do estudo e aluno do Ph.D. na Woodruff Faculty.

Ajustando cuidadosamente a concentração de amônia e a exposição ao feixe de elétrons, a equipe conseguiu ajustar a forma e a estrutura da superfície de cobre com precisão de nanômetro. Eles também desenvolveram modelos e executaram simulações para entender melhor como estes mudanças químicas afetar o comportamento do cobre.

“O que é emocionante é que não estamos apenas construindo ou removendo – estamos alternando dinamicamente entre esses modos em tempo actual”, disse Fedorov.

Pequenas ferramentas para grande impacto

A capacidade de esculpir superfícies no nível atômico tem implicações abrangentes para tecnologias futuras. Esse novo método pode ser usado para criar ferramentas científicas ultra-sensíveis, como sondas microscópicas e sensores, agulhas em nanoescala para entrega de medicamentos ou genes direcionados e fiação empilhada em 3D em chips de computador de próxima geração.

E como a abordagem é quimicamente ajustável, ela pode ser aplicada a outros materiais além do cobre.

“Isso nos dá uma nova ferramenta flexível para a fabricação em nanoescala”, disse Ahmed.

“Ao controlar a química native, podemos essencialmente imprimir e subtrair ao mesmo tempo – abrindo novas possibilidades de design e fabricação em nanotecnologia”.