Pesquisadores de microscopia eletrônica do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia desenvolveram uma maneira única de construir estruturas 3-D com formas finamente controladas de um a dois bilionésimos de um metro.

O estudo ORNL publicado na revista Pequena demonstra como microscópios eletrônicos de transmissão de varredura, normalmente usado como ferramentas de imagem, também são capazes de esculpir com precisão recursos 3-D de tamanho nanométrico em materiais óxidos complexos.

Ao oferecer precisão de plano atômico único, a técnica pode encontrar usos na fabricação de estruturas para dispositivos funcionais em nanoescala, como microchips. As estruturas crescem epitaxialmente, ou em alinhamento cristalino perfeito, o que garante que as mesmas propriedades elétricas e mecânicas se estendam por todo o material.

"Podemos fazer coisas menores com formas mais precisas, "disse Albina Borisevich do ORNL, quem conduziu o estudo. “O processo também é epitaxial, o que nos dá um controle muito mais pronunciado sobre as propriedades do que poderíamos realizar com outras abordagens. "

Os cientistas do ORNL descobriram o método enquanto visualizavam uma película fina de titanato de estrôncio preparada de maneira imperfeita. A amostra, consistindo em um substrato cristalino coberto por uma camada amorfa do mesmo material, transformado à medida que o feixe de elétrons passava por ele. Uma equipe do Instituto de Imagem Funcional de Materiais do ORNL, que une cientistas de diferentes disciplinas, trabalharam juntos para compreender e explorar a descoberta.

"Quando expusemos a camada amorfa a um feixe de elétrons, parecemos empurrá-lo para adotar seu estado cristalino preferido, "Borisevich disse." Ele faz isso exatamente onde está o feixe de elétrons. "

O uso de um microscópio eletrônico de transmissão de varredura, que passa um feixe de elétrons através de um material a granel, diferencia a abordagem das técnicas de litografia que apenas padronizam ou manipulam a superfície de um material.

"Estamos usando o controle preciso do feixe para construir algo dentro do próprio sólido, "disse Stephen Jesse do ORNL." Estamos fazendo transformações que estão profundamente enterradas na estrutura. Seria como abrir um túnel dentro de uma montanha para construir uma casa. "

A técnica oferece um atalho para pesquisadores interessados ​​em estudar como as características dos materiais mudam com a espessura. Em vez de gerar imagens de várias amostras de larguras variadas, os cientistas poderiam usar o método de microscopia para adicionar camadas à amostra e, simultaneamente, observar o que acontece.

"Toda a premissa da nanociência é que, às vezes, quando você encolhe um material, ele exibe propriedades que são muito diferentes do material a granel, "Borisevich disse." Aqui podemos controlar isso. Se sabemos que existe uma certa dependência do tamanho, podemos determinar exatamente onde queremos estar nessa curva e ir para lá. "

Cálculos teóricos no supercomputador Titan do ORNL ajudaram os pesquisadores a entender os mecanismos subjacentes do processo. As simulações mostraram que o comportamento observado, conhecido como processo indireto, é consistente com o feixe de elétrons transferindo energia para átomos individuais no material, em vez de aquecer uma área do material.

"Com o feixe de elétrons, estamos injetando energia no sistema e empurrando para onde ele iria por si só, dado tempo suficiente, "Borisevich disse." Termodinamicamente ele quer ser cristalino, mas esse processo leva muito tempo em temperatura ambiente. "

O estudo é publicado como "Escultura em nível atômico de óxidos cristalinos:rumo à nanofabricação em massa com precisão de plano atômico único."