Em um novo relatório agora publicado na Matter, Licong An e uma equipe de cientistas em engenharia de materiais, engenharia industrial e o centro de nanotecnologia da Universidade de Purdue, nos EUA, e na Universidade de Wuhan, na China, descreveram um método avançado de litografia a laser. A técnica facilitou a formação de padrões de metal líquido eletronicamente autoprotetores com tamanhos de recursos na sub-microescala, para formar um dos padrões de superfície metálica de maior resolução até hoje. A estrutura única e os padrões robustos ofereciam funcionalidade elétrica apesar de danos externos. Esses materiais elétricos de alta resolução e autoproteção são adequados para aplicações nano de próxima geração.
Apresentando um novo método:litografia a laser pulsado (PLL)

O campo da eletrônica de alta densidade é de grande importância na engenharia de materiais e é adequado para formar padrões de alta densidade para eletrônica integrada em ambientes agressivos. Cientistas de materiais e industriais usaram índio de gálio à temperatura ambiente (EGaIn) para desenvolver padrões de alta densidade devido às suas propriedades distintas, incluindo alta fluidez, alta condutividade elétrica e alta deformabilidade. Os esforços de pesquisa para desenvolver padrões de metal líquido de alta resolução são baseados em padrões de litografia, entre uma gama diversificada de métodos, com amplo apelo em aplicações eletrônicas em baterias de metal líquido, microfluídica e dispositivos de coleta de energia.

Neste trabalho, o principal autor e pesquisador associado Licong An, que atualmente está no departamento de engenharia de materiais da Purdue University, descreveu o método como uma "técnica prática e escalável para fabricar padrões de metal líquido de alta resolução e auto-empacotados". A equipe pretende “integrar praticamente chips elétricos para uso em ambientes agressivos”. Os cientistas introduziram principalmente o método de litografia a laser pulsado neste trabalho para desenvolver padrões de metal líquido 3D com resolução de nível sub-mícron, protegidos por um invólucro de pacote de óxido mecanicamente estável. Licong An destacou a importância dessa abordagem:"Pela primeira vez, o método de litografia de uma etapa pode ser usado diretamente para modelar metal líquido", disse ele.

Ele definiu ainda as implicações práticas do método "devido à alta tensão superficial e padrões de fluxo, quando comparados aos padrões tradicionais de litografia. Esta é a primeira vez que um método de litografia é usado para modelar diretamente metais líquidos". O trabalho descrito aqui é, portanto, "um primeiro esforço para introduzir a litografia a laser avançada como um processo de uma etapa para gerar diretamente padrões de metal líquido altamente eficientes", disse ele.

Os experimentos:desenvolvimento de nanopartículas de metal líquido (LMNP)

A equipe de pesquisa resumiu o método de desenvolvimento de padrões de metal líquido de alta resolução em quatro etapas. No início, eles pulverizaram uma nanopartícula de metal líquido (LMNP) em um substrato para formar um filme fino de LMNP. Em seguida, focou o feixe de laser pulsado na superfície do filme fino, onde o feixe de incidência se espalhou devido à sua nanoestrutura superficial, seguido de ablação das LMNPs e substrato onde o pico de intensidade de energia atingiu um limiar de ablação. O choque induzido por laser agiu como um aperto para gerar pressão nas partículas de metal líquido e a equipe usou a energia do laser como o principal parâmetro para controlar a formação de padrões de alta resolução. A equipe regulou a taxa de aquecimento e resfriamento ultrarrápido por laser, para gerar uma camada de óxido uniforme 3D na superfície superior da arquitetura 3D, com estabilidade mecânica aprimorada, para alta estabilidade diante de danos externos.

Licong An enfatizou este trabalho como "um dos padrões de metal líquido de alta resolução até hoje" e disse:"Os padrões de metal líquido de alta resolução mantiveram tamanhos de recursos tão pequenos quanto 0,5 µm, com espaçamento entre linhas de 0,5 µm para formar um dos mais altos padrões de metal líquido de resolução até o momento na escala sub-mícron."

A síntese de nanopartículas de metal líquido (LMNPs)

A equipe de pesquisa desenvolveu as nanopartículas de metal líquido, de acordo com relatórios anteriores, dispersando ultrassonicamente a liga EGaIn em etanol, para formar LMNPs via automontagem molecular, com um diâmetro médio de cerca de 200 nm. Uma fina camada de óxido também se formou rapidamente durante o processo de sonicação para manter as partículas de metal em formas esféricas. Um et ai. pulverizou os LMNPs como preparados em um substrato à base de silício para formar um filme fino de nanopartículas e manteve o filme fino não condutor, enquanto usava uma fonte de laser de fibra para produzir os nanopadrões. Licong An destacou o mecanismo da técnica avançada de litografia a laser, “o método pode induzir uma alta pressão do laser, para atuar como um choque de compressão para gerar pressão nas partículas de metal líquido”. Ele continuou, "quando o aperto passa, as partículas de 200 nm são extrudadas para um invólucro de óxido robusto de 20 nm, que atua como um pacote robusto para proteger os padrões de metal líquido por baixo de serem danificados".

Caracterização de materiais e um avanço

Os cientistas confirmaram a formação de padrões periódicos de metal líquido induzidos por laser através de métodos de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia e mapeamentos elementares para mostrar a presença de silício, gálio e óxido, com metal líquido impresso no substrato subjacente. A técnica inovadora do laser também quebrou o limite óptico do laser. Licong An disse:"Todo mundo sabe que existe uma correlação direta entre a resolução do padrão de metal líquido e o tamanho da ferramenta de processamento, nossa inovadora litografia a laser quebrou esse conhecimento comum, para gerar padrões com resolução sub-mícron pela primeira vez".

Ele acredita que "os padrões podem atingir uma calibração muito maior se um laser com comprimento de onda menor for usado". A equipe também simulou a formação de nanopadrões e enfatizou o processo de uma etapa de deposição direta de padrão de metal líquido; outra característica importante do estudo. Eles combinaram uma série de métodos experimentais para caracterizar a composição elementar proprietária do invólucro do pacote de óxido que cobre os nanopadrões de metal líquido com propriedades mecânicas aprimoradas - em comparação com métodos convencionais pré-existentes de geração de padrão de metal líquido.

Perspectivas:progresso e potencial

Dessa forma, Licong An e seus colegas desenvolveram padrões de metal líquido de alta resolução eletronicamente autoprotetores por meio de um método de litografia a laser pulsado (PLL) para criar um dos padrões de metal líquido de maior resolução até hoje. A equipe prevê aplicações do novo material em práticas de nanoescala de próxima geração, com altas densidades de integração, adequadas para aplicações exigentes. A equipe de pesquisa é composta por colaborações importantes entre o autor principal e o pesquisador Licong An e colegas interdisciplinares, incluindo o professor Gary J. Cheng, membro da Associação Americana para o Avanço da Ciência. + Explorar mais

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