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立体微雕机,德国在银材料底层上完成光刻纳米

时间:2019-08-17 22:05来源:科学研究
金属“墨水”书写图案 宽度不到发丝一半 德国柏林亥尔姆茨材料和能源研究中心与联邦材料测试与研究机构合作,首次在银材料底层上完成光刻纳米结构,为未来光计算机数据处理、

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金属“墨水”书写图案 宽度不到发丝一半

德国柏林亥尔姆茨材料和能源研究中心与联邦材料测试与研究机构合作,首次在银材料底层上完成光刻纳米结构,为未来光计算机数据处理、新型电子器件制造开辟了新的途径。这项成果刊登在美国化学学会的《应用材料和界面》杂志上。

德国柏林亥尔姆茨材料和能源研究中心与联邦材料测试与研究机构合作,首次在银材料底层上完成光刻纳米结构,为未来光计算机数据处理、新型电子器件制造开辟了新的途径。这项成果刊登在美国化学学会的《应用材料和界面》杂志上。

橡树岭国家实验室研究人员利用一种新的扫描透射电子显微技术,在复杂的氧化材料中雕刻出三维纳米结构。

近日,美国能源部橡树岭国家实验室的科学家,首次利用扫描式投射显微镜直接在金属“墨水”中书写图案,且图案宽度还不到人头发丝的一半。

要想在材料表面获得精细结构图样,最佳选择是采用电子显微镜扫描技术,利用电子束在其表面进行复杂的光刻。这项技术已应用在铂、金、铜等许多金属材料纳米结构制作上,但还没有成功应用于银材料。银在电子工业领域有着广泛应用前景。

要想在材料表面获得精细结构图样,最佳选择是采用电子显微镜扫描技术,利用电子束在其表面进行复杂的光刻。这项技术已应用在铂、金、铜等许多金属材料纳米结构制作上,但还没有成功应用于银材料。银在电子工业领域有着广泛应用前景。

最近,美国能源部橡树岭国家实验室研究人员开发出一种独特的、制作三维结构的方法,用扫描透射电子显微镜发出的电子束做“雕刻刀”,做出的三维结构不仅有精细可控的形状,而且大小只有几纳米。

自动化过程的控制是将STEM设备中电子束聚焦到充满液体的区域,使金属沉积在硅微芯片来实现的,沉积得到的图案尺寸是纳米级别或是原子、分子级别。

此次,研究小组成功地利用光刻技术在银材料上制作出纳米结构晶体。这项实验最大的难点是寻找合适的银化合物,以及开发用于电子束的注射部件。由于典型银化合物的化学活性非常强,且很难气化,即使在注射部件加热与容器壁反应时也如此,容器到注射部件针尖的通道常会在试验温度降低时堵塞,因此要满足光刻技术要求特别难。

此次,研究小组成功地利用光刻技术在银材料上制作出纳米结构晶体。这项实验最大的难点是寻找合适的银化合物,以及开发用于电子束的注射部件。由于典型银化合物的化学活性非常强,且很难气化,即使在注射部件加热与容器壁反应时也如此,容器到注射部件针尖的通道常会在试验温度降低时堵塞,因此要满足光刻技术要求特别难。

雕刻结构以一种完美的、晶体排列的形式向外生长而成,保证了整个材料有着一致的电子和机械性质。由于雕刻品的精细程度达到单个原子水平,这一技术在制作微芯片等功能性纳米设备方面极为有用。该研究负责人阿尔宾娜·玻利谢维奇说,这种方法能让他们以更高精度做出更小的结构,更主动地控制材料性质。

通常来说,纳米图案化的制备需要应用光刻技术,即采用抗蚀剂对其他区域进行保护,而橡树岭国家实验室这一直接书写的新技术与光刻技术的区别在于,不需要抗蚀剂。

物理学家霍夫利希博士介绍说,他们选用的银二甲化合物很稳定,仅在电子束聚焦处分解。银材料光刻技术的原理与其它材料光刻技术相似,光刻机的针尖将微量先导材料,一般是有机金属化合物靠近试样表面注射。电子束照射在样品表面,将表面的材料分子和非挥发性残留物分解,并固定在样品一定的位置上。电子束就像笔一样在材料底层上游走,将所希望的结构绘制出来。这项技术还适用于在许多底层材料上绘制三维结构图。

物理学家霍夫利希博士介绍说,他们选用的银二甲化合物很稳定,仅在电子束聚焦处分解。银材料光刻技术的原理与其它材料光刻技术相似,光刻机的针尖将微量先导材料,一般是有机金属化合物靠近试样表面注射。电子束照射在样品表面,将表面的材料分子和非挥发性残留物分解,并固定在样品一定的位置上。电子束就像笔一样在材料底层上游走,将所希望的结构绘制出来。这项技术还适用于在许多底层材料上绘制三维结构图。

据物理学家组织网近日报道,研究人员发现这一方法纯属偶然。当时他们正在观察一片有瑕疵的钛酸锶薄膜,样本底层是晶体态,上层是非晶体态。当电子束穿过时,材料发生了变形。玻利谢维奇说:“当我们把非晶体层放在电子束下时,好像促进它向更完美的结晶态衍化,电子束确实起了这种作用。”

关于这一技术的更多性能细节发表于英国皇家化学学会会刊Nanoscale上,研究人员近期正在申请专利。这一技术将为定制的电子设备和其他应用的制备提供一种新的思路和方法。

新研制成功的银纳米结构材料具有非同一般的光学特性,可见光可控制自由电子在银结构里振动,即形成所谓等离子元,并通过密集的光束来显示,通过光的密集度和颜色,就可以读取结构表面的相关信息。借助拉曼光谱还可以将这种效应当作验证特定分子的“指纹”。

新研制成功的银纳米结构材料具有非同一般的光学特性,可见光可控制自由电子在银结构里振动,即形成所谓等离子元,并通过密集的光束来显示,通过光的密集度和颜色,就可以读取结构表面的相关信息。借助拉曼光谱还可以将这种效应当作验证特定分子的“指纹”。

利用扫描透射电子显微镜,射出电子束通过一块材料,这有点像光刻技术,但光刻只是改变材料的表面。而用精确控制的电子束,“我们能深入块状材料内部改变其结构,就像在一座山下面挖隧道,或建一栋房子。”该实验室的斯蒂芬·杰西说。

文章的第一作者,美国能源部橡树岭国家实验室纳米材料科学中心教授Raymond Unocic说道:“我们可以在特定位置通过沉积高纯的金属来量身定做材料的性能要求,还可以定制体系的结构和化学组成,但是这仅仅限于在液体中可溶解的,且能够发生化学反应的体系。”

银纳米结构在电子和信息技术领域有相当大的应用潜力,可以作为纯光学数据处理的基础材料,但要实际应用还需要进一步细化银纳米结构光刻工艺。

银纳米结构在电子和信息技术领域有相当大的应用潜力,可以作为纯光学数据处理的基础材料,但要实际应用还需要进一步细化银纳米结构光刻工艺。

研究人员用超级计算机所做的理论计算和模拟表明,在“雕刻”过程中,电子束把能量转移给了材料中的个别原子,而不是加热材料的某个区域。玻利谢维奇说:“我们用电子束给系统注入了能量,轻微加快了它的衍化,如果不用电子束推进,时间长了它自己也会如此变化。”

实验采用的是绘图图像来处理纳米模板,然后将电子束射入含有氯化钯溶液的区域中,电子束通过的区域将会有纯钯分离出来并沉积。

新方法为那些研究材料特征与厚度关系的科学家提供了一条捷径。使用该方法不仅可给厚度变化不均的样本成像,还能给样本增加厚度,同时观察发生的情况。在纳米科学中,缩小材料有时会让它们表现出与大块材料不同的性质,而新方法能控制这一点,让研究人员确定在哪下手,怎样弯曲材料。

液体环境对化学来说是必不可少的。研究人员首先需要找到一种方法来封装液体,以确保显微镜内的真空吸尘器极端干燥,不会将液体蒸发。研究人员开始用氮化硅膜作为通过该电子束可通过的一个窗口,制成微芯片的区域。

然后,研究人员需要从STEM仪器中引出新功能。“利用成像和光谱显微镜,来实现对特定地点的纳米化学反应的控制。与其电子束光刻技术一样,可通过接口的显微镜方式来控制光束,但是这与扫描透射电子显微镜像差校正的设置的方式不一样。”Unocic说。

目前,液体油墨中金属的像素可以直接写为40纳米,是流感病毒宽度的两倍。在今后的工作中,科研人员将致力于使其分辨率降至10纳米,接近传统的纳米光刻技术的状态。他们也想制造出多组分结构。

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