Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, são os primeiros a utilizar um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) para escrever padrões minúsculos em tinta metálica ", "formando características em um líquido que são mais finas do que a metade da largura de um fio de cabelo humano.

O processo automatizado é controlado pela tecelagem de um feixe de elétrons do instrumento STEM através de uma célula cheia de líquido para estimular a deposição de metal em um microchip de silício. Os padrões criados são "nanoescala, "ou na escala de tamanho de átomos ou moléculas.

Normalmente, a fabricação de padrões em nanoescala requer litografia, que utiliza máscaras para evitar o acúmulo de material nas áreas protegidas. A nova tecnologia de gravação direta do ORNL é como litografia sem máscara.

Os detalhes deste recurso exclusivo são publicados online em Nanoescala , um jornal da Royal Society of Chemistry, e os pesquisadores estão solicitando uma patente. A técnica pode fornecer uma nova maneira de personalizar dispositivos para eletrônicos e outras aplicações.

"Agora podemos depositar metais de alta pureza em locais específicos para construir estruturas, com propriedades de material personalizadas para uma aplicação específica, "disse o autor principal Raymond Unocic do Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), um DOE Office of Science User Facility em ORNL. "Podemos personalizar arquiteturas e químicas. Somos limitados apenas por sistemas que são dissolvíveis no líquido e podem sofrer reações químicas."

Os experimentadores usaram imagens em tons de cinza para criar modelos em nanoescala. Em seguida, eles enviaram elétrons para uma célula cheia de uma solução contendo cloreto de paládio. O paládio puro separou-se e depositou-se onde quer que o feixe de elétrons passasse.

Ambientes líquidos são essenciais para a química. Os pesquisadores primeiro precisavam de uma maneira de encapsular o líquido para que a extrema secura do vácuo dentro do microscópio não evaporasse o líquido. Os pesquisadores começaram com uma célula feita de microchips com membrana de nitreto de silício para servir como uma janela pela qual o feixe de elétrons poderia passar.

Em seguida, eles precisaram obter uma nova capacidade de um instrumento STEM. "Uma coisa é utilizar um microscópio para imagens e espectroscopia. Outra é assumir o controle desse microscópio para realizar reações químicas em nanoescala específicas do local, "Unocic disse." Com outras técnicas de litografia por feixe de elétrons, existem maneiras de fazer a interface com esse microscópio, onde você pode controlar o feixe. Mas não é assim que os microscópios eletrônicos de transmissão de varredura com correção de aberração são configurados. "

Entra Stephen Jesse, líder do tema Transformações em nanoescala dirigidas do CNMS. Este grupo analisa as ferramentas que os cientistas usam para ver e compreender a matéria e suas propriedades em nanoescala sob uma nova luz, e explora se essas ferramentas também podem transformar a matéria um átomo de cada vez e construir estruturas com funções especificadas. "Pense no que estamos fazendo trabalhando em laboratórios em nanoescala, "Disse Jesse." Isso significa ser capaz de induzir e interromper as reações à vontade, bem como monitorá-los enquanto eles acontecem. "

Jesse desenvolveu recentemente um sistema que serve como uma interface entre um padrão de nanolitografia e as bobinas de varredura de um STEM, e os pesquisadores do ORNL já o haviam usado para transformar sólidos de forma seletiva. O microscópio focaliza o feixe de elétrons em um ponto fino, que os microscopistas poderiam mover apenas assumindo o controle das bobinas de varredura. Unocic com Andrew Lupini, Albina Borisevich e Sergei Kalinin integraram o sistema de controle de varredura / nanolitografia de Jesse dentro do microscópio para que pudessem controlar o feixe que entra na célula líquida. David Cullen realizou análises químicas subsequentes.

"Esta nanolitografia induzida por feixe depende criticamente do controle de reações químicas em volumes em nanoescala com um feixe de elétrons energéticos, "disse Jesse. O sistema controla a posição do feixe de elétrons, velocidade e dose. A dose - quantos elétrons estão sendo bombeados para o sistema - determina a rapidez com que os produtos químicos são transformados.

Esta tecnologia em nanoescala é semelhante a atividades em larga escala, como o uso de feixes de elétrons para transformar materiais para impressão 3-D nas instalações de demonstração de fabricação do ORNL. Nesse caso, um feixe de elétrons derrete o pó para que se solidifique, camada por camada, para criar um objeto.

"Estamos essencialmente fazendo a mesma coisa, mas dentro de um líquido, "Unocic disse." Agora podemos criar estruturas a partir de uma solução precursora de fase líquida na forma que quisermos e na química que quisermos, ajustando as propriedades físico-químicas para uma determinada aplicação. "

O controle preciso da posição do feixe e da dose de elétrons produz arquiteturas personalizadas. Encapsular diferentes líquidos e fluí-los sequencialmente durante a padronização também personaliza a química.

A resolução atual de "pixels" metálicos que a tinta líquida pode direcionar para escrever é de 40 nanômetros, ou duas vezes a largura de um vírus influenza. Em trabalho futuro, Unocic e colegas gostariam de reduzir a resolução para abordar o estado da arte da nanolitografia convencional, 10 nanômetros. Eles também gostariam de fabricar estruturas de múltiplos componentes.

O título do artigo é "Transformações de fase líquida de gravação direta com um microscópio eletrônico de transmissão de varredura."