Novo método de microscopia eletrônica esculpe estruturas 3-D a nível atômico

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Nanotecnologia

Investigadores de ORNL usaram uma nova técnica de transmissão de varredura microscopia eletrônica para esculpir características em nanoescala 3-D em um material de óxido complexo.

Pesquisadores de microscopia eletrônica do Departamento de Oak Ridge National Laboratory Energia desenvolveram uma forma única de construir estruturas 3-D com formas finamente controlados tão pequenas quanto um a dois bilionésimos de metro.

O estudo ORNL publicado no jornal pequeno demonstra como microscópios eletrônicos de transmissão de varredura, normalmente utilizadas como ferramentas de imagem, também são capazes de precisão escultura de características nanométricas 3-D em materiais de óxido complexo.

Ao oferecer único plano precisão atômica, a técnica poderia encontrar usos na fabricação de estruturas para dispositivos em nanoescala funcionais, tais como microchips. As estruturas crescer epitaxialmente, ou em alinhamento perfeito cristalino, o qual assegura que as mesmas propriedades eléctricas e mecânicas estendem ao longo de todo o material.

"Nós podemos fazer pequenas coisas com formas mais precisas", disse ORNL Albina Borisevich, que liderou o estudo. "O processo é também epitaxial, que nos dá muito mais pronunciado controle sobre as propriedades do que poderíamos realizar com outras abordagens."

Cientistas do ORNL aconteceu mediante o método como eles estavam imaginando uma película fina titanato de estrôncio imperfeitamente preparado. A amostra, que consiste de um substrato cristalino coberto por uma camada amorfa do mesmo material, como a transformada de feixe de electrões passada através dela. Uma equipe do Instituto de ORNL for Imaging Funcional de Materiais, que reúne cientistas de diferentes disciplinas, trabalharam juntos para entender e explorar a descoberta.

"Quando expostos a camada amorfa de um feixe de elétrons, que parecia empurrá-lo em direção a adopção do seu estado cristalino preferido", disse Borisevich. "Ele faz isso exatamente onde o feixe de elétrons é."

O uso de um varrimento microscópio electrónico de transmissão, o qual passa um feixe de electrões através de um material a granel, define a abordagem para além de técnicas de litografia ou que somente um padrão de manipular superfície de um material.

"Nós estamos usando o controle fino do feixe de construir algo dentro do próprio sólida", disse ORNL Stephen Jesse. "Estamos fazendo transformações que estão enterradas profundamente dentro da estrutura. Seria como tunelamento dentro de uma montanha para construir uma casa."

A técnica oferece um atalho para pesquisadores interessados ​​em estudar como as características dos materiais de mudança de espessura. Em vez de imaginar várias amostras de diferentes larguras, 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 que apresenta propriedades que são muito diferentes do que o material a granel", disse Borisevich.

"Aqui nós podemos controlar isso. Se sabemos que existe uma certa dependência em tamanho, podemos determinar exatamente onde queremos estar nessa curva e ir para lá."

Cálculos teóricos sobre Titan supercomputador da ORNL ajudou os pesquisadores a entender os mecanismos subjacentes ao processo. As simulações mostraram que o comportamento observado, conhecido como um processo de knock-on, é consistente com a transferência de energia de feixe de electrões de átomos individuais no material, em vez de o aquecimento de uma área do material.

"Com o feixe de elétrons, que estão injetando energia no sistema e cutucando em que de outra forma iriam por si só, dado tempo suficiente", disse Borisevich. "Termodinamicamente ele quer ser cristalinos, mas este processo demora muito tempo à temperatura ambiente."

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

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» New electron microscopy method sculpts 3-D structures at atomic level
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