p Ao energizar moléculas precursoras usando um minúsculo, jato supersônico de alta energia de gás inerte, pesquisadores aceleraram dramaticamente a fabricação de estruturas em escala nanométrica. A técnica de manufatura aditiva rápida também permite que eles produzam estruturas com altas relações de aspecto. Agora, uma teoria desenvolvida para descrever a técnica pode levar a novas aplicações para nanofabricação de aditivos e novos materiais em nanoescala. p Com base na deposição de feixe de elétrons focado, a técnica permite que estruturas sejam fabricadas a partir de precursores de fase gasosa em taxas próximas ao que poderia ser esperado na fase líquida - tudo sem aumentar a temperatura dos substratos. Isso poderia levar à fabricação de estruturas em escala nanométrica a taxas que poderiam torná-las práticas para uso em memória magnética, antenas de alta frequência, dispositivos de comunicação quântica, spintrônica e ressonadores em escala atômica.

p "Estamos controlando a matéria em escala atômica para criar novos modos de manufatura aditiva, "disse Andrei Fedorov, professor da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Esta nova ciência pode trazer aplicações de manufatura aditiva que de outra forma seriam impossíveis. A nova tecnologia resultante abrirá novas dimensões para a manufatura aditiva em escala atômica."

p O trabalho surgiu da frustração com a tentativa de criar pequenas estruturas usando os feixes de elétrons, que pode ter apenas alguns nanômetros de diâmetro. A pesquisa foi apoiada pelo Office of Science do Departamento de Energia dos EUA, e foi relatado em 28 de maio no jornal Físico Química Física Química .

p "Quando fomos para o laboratório usar nanofabricação com feixes de elétrons focados, que são do tamanho de alguns nanômetros, não podíamos desenvolver estruturas de apenas alguns nanômetros. Eles cresceram para 50 ou 100 nanômetros, "Fedorov explicou." E também demorou muito para produzir as estruturas, o que significava que, sem melhorias, nunca seríamos capazes de produzi-los em alto volume. "

p Fedorov e os colaboradores Matthew Henry e Songkil Kim perceberam que as reações produzindo as estruturas eram lentas, e ligados ao estado termodinâmico do substrato no qual estão sendo cultivados. Eles decidiram adicionar um pouco de energia ao processo para acelerar as coisas - até cem vezes mais rápido.

p O resultado foi a invenção de um injetor microcapilar de apenas alguns micrômetros de diâmetro que poderia introduzir minúsculos jatos de moléculas gasosas na câmara de deposição para ativar os precursores das estruturas em escala nanométrica. Em parte porque o jato está entrando em uma câmara de vácuo, o gás acelera a velocidades supersônicas. A energia do jato supersônico excita as moléculas precursoras que são adsorvidas pelo substrato.

p "Este estado térmico energético permite que os elétrons do feixe quebrem as ligações químicas com muito mais facilidade, e como resultado, estruturas crescem muito mais rápido, "Fedorov disse." Toda essa amplificação, tanto o transporte da molécula quanto a taxa de reação, são exponenciais, o que significa que uma pequena mudança pode levar a um aumento dramático no resultado. "

p Isso foi observado experimentalmente, mas para entender como controlar o processo e expandir suas aplicações, os pesquisadores queriam criar uma teoria para o que estavam vendo. Eles usaram técnicas termométricas em nanoescala para medir a temperatura dos átomos adsorvidos - também conhecidos como adátomos - submetidos ao jato, e usou essa informação para ajudar a entender a física básica no trabalho.

p "Assim que tivermos um modelo, essencialmente se torna uma ferramenta de design, "Fedorov disse." Com este entendimento e as capacidades que demonstramos, podemos expandi-los para outros campos, como automontagem dirigida, crescimento epitaxial e outras áreas. Isso poderia permitir uma série de novos recursos para usar esse tipo de nanofabricação de gravação direta. "

p O desenvolvimento do modelo e a compreensão dos primeiros princípios da física por trás dele também podem permitir que outros pesquisadores encontrem novas aplicações.

p "Com isso, você pode ter quase a mesma ordem de magnitude da taxa de crescimento que teria com os precursores de fase líquida, mas ainda tem acesso à riqueza de possíveis precursores, a capacidade de manipular ligas, e toda a experiência que foi desenvolvida ao longo dos anos com deposição de fase gasosa, "Fedorov disse." Esta tecnologia nos permitirá fazer coisas em uma escala que é significativa do ponto de vista prático e econômica. "

p A capacidade de produzir rapidamente pequenos, estruturas tridimensionais podem abrir uma gama de novas aplicações.

p "Se você pode adaptar técnicas aditivas de gravação direta, isso pode trazer muitos recursos exclusivos para a memória magnética, materiais supercondutores, dispositivos quânticos, Circuito eletrônico 3-D, e muito mais coisas, "disse ele." Essas estruturas são atualmente muito difíceis de fazer usando métodos convencionais. "

p Além de usar os jatos para acelerar a deposição de materiais precursores já no substrato, os pesquisadores também criaram jatos híbridos que contêm gás inerte de alta energia e gases precursores, que permitem não apenas uma aceleração dramática do crescimento da nanoestrutura, mas também controlam com precisão a composição do material durante o crescimento. Em trabalho futuro, os pesquisadores planejam usar essas abordagens híbridas para permitir a formação de nanoestruturas com fase e topologia que não podem ser alcançadas por quaisquer técnicas de nanofabricação existentes.