喷射式加速纳米材料的制备

通过利用微小的高能超音速惰性气体喷射给前驱体分子注入能量,研究人员已经大大加快了纳米结构的制造。这种快速的添加剂制造技术也可以生产高宽比的结构。现在,一种描述该技术的理论将为添加剂纳米制造和新的纳米材料带来新的应用。

喷射式加速纳米材料的制备

这个横截面图显示了超音速气体射流在真空中膨胀并撞击到基片上时的分子密度,从而加速了从能量吸附的前驱体

基于聚焦电子束沉积技术,该技术允许从气相前驱体中以接近液相所期望的速度制备结构-所有这些都不会提高衬底的温度。这可能导致纳米级结构的制造速度,从而使其在磁记忆、高频天线、量子通信设备、自旋电子学和原子尺度谐振器中具有实用价值。

佐治亚理工学院乔治·W·伍德拉夫机械工程学院(George W.Woodruff School of Machine Engineering)教授安德烈·费多罗夫(Andrei Fedorov)说,“我们正在控制原子尺度上的物质,以带来新的添加剂制造模式。”“这种新的科学可能带来加成制造的应用,否则可能是不可能的。由此产生的新技术将为原子级的添加剂制造开辟新的维度。”

这项工作是由于试图用电子束来制造小结构而产生的,电子束的直径可以只有几纳米。它得到了美国能源部科学办公室的支持,并发表在物理化学物理.

Fedorov解释说:“当我们去实验室用几纳米大小的聚焦电子束进行纳米制造时,我们不能生长只有几纳米大小的结构。它们的尺寸增长到50或100纳米。”“这种结构也需要很长时间才能生产出来,这意味着,如果没有改进,我们就永远无法生产出高质量的结构。”

费多罗夫和他的合作者马修·亨利和宋基尔·金意识到,产生这些结构的反应是缓慢的,并且与生长它们的底物的热力学状态有关。他们决定在这一过程中增加一些能量,以加快速度-提高多达100倍。

其结果是发明了一种直径只有几微米的微毛细管注射器,它可以将气体分子的微小喷射引入沉积室,以激活纳米结构的前驱体。部分原因是射流进入真空室,气体加速到超音速。超音速射流产生的能量激发被吸附到衬底上的前体分子。

Fedorov说:“这种充满能量的热状态使电子更容易破坏化学键,因此,结构的生长速度要快得多。”“所有这些放大,无论是分子运输还是反应速率,都是指数级的,这意味着微小的变化会导致结果的急剧增加。”

这在实验上已经观察到了很多,但是为了了解如何控制这个过程并扩大其应用范围,研究人员想要为他们所看到的创造一个理论。他们使用纳米测温技术来测量受喷射作用的吸附原子-也称为吸附原子-的温度,并利用这些信息帮助理解工作中的基本物理。

Fedorov说:“一旦我们有了一个模型,它本质上就变成了一个设计工具。”“有了这种理解,以及我们所展示的能力,我们可以将其扩展到其他领域,如定向自组装、外延生长等领域。这将使大量新的能力能够使用这种直接写入纳米制造。”

该模型的发展和对其背后的第一原理物理学的理解也可以让其他研究人员找到新的应用。

Fedorov解释说:“这样,你可以获得几乎与液相前驱体相同的数量级增长速度,但仍然可以获得丰富的可能前驱体,操纵合金化的能力,以及多年来气相沉积所取得的所有经验。”“这项技术将使我们能够以一个从实际角度和成本效益来看有意义的规模来做事情。”

快速生产小型三维结构的能力可以开辟一系列新的应用。他说:“如果你能采用加性的直接写入技术,这将为磁记忆、超导材料、量子器件、三维电子电路以及更多的东西带来许多独特的能力。”“这些结构目前很难用传统方法制造。”

除了利用喷射加速沉积已经在衬底上的前体材料,研究人员还创造了混合喷射,既含有高能惰性气体,又含有前驱气体。这不仅使纳米结构的生长速度急剧加快,而且精确地控制了生长过程中的材料组成。在未来的工作中,研究人员计划使用这些混合方法来形成具有现有纳米制造技术无法实现的相位和拓扑的纳米结构。