p Os pesquisadores demonstraram um novo processo para fabricar rapidamente nanoestruturas tridimensionais complexas a partir de uma variedade de materiais, incluindo metais. A nova técnica usa nanoeletrospray para fornecer um suprimento contínuo de precursor líquido, que podem incluir íons de metal que são convertidos em metal de alta pureza por um feixe de elétrons focalizado. p O novo processo gera estruturas que seriam impossíveis de fazer usando técnicas de deposição induzida por feixe de elétrons focado em fase gasosa (FEBID), e permite a fabricação em taxas de até cinco ordens de magnitude mais rápidas do que a técnica da fase gasosa. E porque usa solventes líquidos padrão, o novo processo pode tirar proveito de uma ampla gama de materiais precursores. Vários materiais também podem ser depositados simultaneamente.

p "Ao nos permitir desenvolver estruturas muito mais rápido com uma ampla gama de precursores, esta técnica realmente abre uma direção totalmente nova para fazer uma hierarquia de estruturas tridimensionais complexas com resolução em nanoescala na taxa que é exigida para escalabilidade de fabricação, "disse Andrei Fedorov, professor da Escola de Engenharia Mecânica George Woodruff do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Isso poderia fornecer uma mudança fundamental na forma como este campo irá evoluir."

p A pesquisa foi apoiada pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA e relatada na revista Nano Letras . As aplicações para a escrita rápida do feixe de elétrons de nanoestruturas 3D topologicamente complexas podem incluir novos tipos de topologias de eletrodo para baterias e células de combustível, memória eletrônica empilhada verticalmente, substratos para controlar a diferenciação celular e pequenos dispositivos de conversão eletroquímica.

p No processo FEBID estabelecido, um feixe de elétrons é usado para escrever estruturas de moléculas adsorvidas em uma superfície sólida que fornece suporte e locais de nucleação para o crescimento do depósito. Os precursores são introduzidos na câmara do microscópio eletrônico de alto vácuo em fase gasosa. Elétrons de alta energia no feixe interagem com o substrato para produzir os elétrons secundários de baixa energia, que dissociam as moléculas precursoras adsorvidas, resultando na deposição de material sólido na superfície do substrato.

p Embora permita a fabricação precisa átomo por átomo de nanoestruturas, o processo é muito lento porque a baixa densidade das moléculas de gás adsorvido no ambiente de vácuo limita a quantidade de material disponível para fabricação. E as estruturas devem ser fabricadas da superfície do substrato a uma taxa de crescimento continuamente decrescente e a partir de um número limitado de gases precursores disponíveis.

p Fedorov e seus colaboradores aceleraram dramaticamente o processo, introduzindo precursores de fase líquida eletricamente carregados diretamente no alto vácuo da câmara do microscópio eletrônico. Os precursores de fase líquida foram demonstrados antes, mas os materiais tiveram que ser colocados em uma pequena cápsula onde a reação ocorreu, limitando a flexibilidade de fabricação, capacidade e utilidade da abordagem para nanofabricação 3D.

p A equipe de pesquisa - incluindo o estudante de graduação e primeiro autor Jeffrey Fisher, Songkil Kim, colega de pós-doutorado, e o engenheiro de pesquisa sênior Peter Kottke - usaram solventes de baixa volatilidade, como etilenoglicol, dissolvendo um sal de prata no líquido. Em solução, o sal se dissocia em cátions de prata, permitindo a produção de depósitos de prata por reação de redução eletroquímica usando elétrons secundários solvatados, em vez de decomposição molecular direta.

p O solvente contendo os íons de material desejados é introduzido na câmara usando um sistema de nanoeletrospray composto de um minúsculo bico de apenas alguns mícrons de diâmetro. Ao aplicar o campo elétrico focalizado ao bico, o jato de fluido é puxado e distribuído ao substrato formando um filme líquido fino controlado com precisão.

p O eletrospray produz gotículas carregadas em escala nanométrica a partir de um jato de cone Taylor de apenas 100 nanômetros de diâmetro, que se aglutinam após o choque e formam uma película fina do precursor no substrato sólido.

p A equipe de pesquisa usou o próprio feixe de elétrons para visualizar o jato do cone de Taylor no ambiente de vácuo, a primeira vez que isso demonstrou, bem como para medir a espessura do filme líquido in situ usando uma "régua" em nanoescala pré-fabricada no substrato de deposição. O feixe de elétrons então varre o filme líquido seguindo um padrão desejado, produzir elétrons de energia adequados que solvatam e reduzem os cátions, estruturas de escrita em formação precisa do precursor entregue pelo jato eletrificado. Embora a evaporação do solvente ocorra, o nanoeletrospray pode manter um filme estável por tempo suficiente para a formação das estruturas.

p A combinação de um precursor mais denso, a redução nos problemas de transferência da superfície do material e a eliminação da necessidade de quebrar ligações químicas com o feixe de elétrons permite a fabricação de até cinco ordens de magnitude - um fator de 5, 000 - mais rápido do que a técnica anterior em fase gasosa.

p "Mudando a energia do feixe e da corrente, podemos preferencialmente fazer crescer nanoestruturas em 3D a uma taxa muito mais rápida, "Fedorov disse." De repente, há uma série de aplicativos diferentes que não eram possíveis antes. "

p Variando o tipo de precursor, espessura do filme, concentração de íons e a energia e corrente do feixe de elétrons controlam os tipos de estruturas que podem ser feitas, Fedorov disse. Estruturas como pontes conectando postes tornam-se possíveis porque o material pode ser escrito sobre as películas finas.

p Os pesquisadores fabricaram nanopilares de carbono de cinco mícrons de altura, nanoestruturas semelhantes a paredes conectando dois nanopilares, e nanoestruturas em arco em forma de ponte suspensa conectando nanopilares. As estruturas exigiram tempos de crescimento variando de 2 a 40 segundos. Micropilares de prata também foram fabricados.

p O novo processo permite uma flexibilidade considerável na fabricação, abrindo a possibilidade de depositar mais de um material simultaneamente. Isso poderia permitir a produção de ligas e compostos, como combinações de prata e ouro. Ou, um material poderia ser usado como um gabarito a ser revestido por outro material com a simples substituição de materiais precursores.

p Até aqui, a equipe da Georgia Tech produziu estruturas de prata e carbono, mas o processo pode ser usado para fabricar uma ampla gama de nanomateriais metálicos e não metálicos. Os metais produzidos usando a técnica podem ser altamente puros porque uma etapa de dissociação do precursor produtor de carbono pode ser mitigada.

p A próxima etapa será compreender a física e a química que regem o processo de fabricação para permitir um controle mais preciso e orientar outros que possam desejar usá-lo para suas próprias aplicações específicas.

p "Esperamos que o papel dos solventes seja muito importante nos tipos de caminhos cinéticos que podemos controlar para produzir muitos tipos diferentes de estruturas com a composição química desejada, "disse Fedorov." Isso nos dá a oportunidade de explorar um regime de química e física que antes estava fora do que podíamos estudar. Queremos estabelecer uma compreensão da física e química básicas do processo. "

p O trabalho futuro incluirá um estudo de como a interação de feixes com diferentes energias, ambientes de vácuo, solventes e concentrações de espécies iônicas afetam o resultado.

p "Demonstramos que podemos eletropulverizar precursores líquidos dentro de um ambiente de alto vácuo de um microscópio eletrônico e, em seguida, usar elétrons para facilitar transformações químicas úteis, "disse Fedorov." Acreditamos que isso permitirá que cientistas e engenheiros façam estruturas com as quais eles só podiam sonhar antes. "