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新技术:超音速气体喷射纳米3D打印

日期: 2020-06-21
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2019年7月29日,南极熊从外媒获悉,佐治亚理工学院的研究人员利用聚焦电子束开发了一种更快速的纳米3D打印方法。他们发明了一种微小的高能超音速气体射流,以加速前体材料的沉积。该技术可以发掘出热力学现象以及3D纳米加工的新应用。


聚焦电子束诱导沉积(FEBID)是3D纳米加工的直接方法。一束高能电子和一股热激发前体气体聚焦在基板上的同一点上。当电子束撞击基板时,材料分子就会沉积。通过精确控制,这种方式可以制造复杂的纳米3D结构。除了高沉积精度外,FEBID技术还可以打印大尺寸,并支持广泛的材料。


FEBID过程的例证。图显示注入(1)前体气体颗粒扩散(2)和释放物质(3)形成受控表面和金属连接原子(4)。图片来自Beilstein J Nanotechnol。2012; 3:597-619。

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纳米级3D结构为监测、计算机处理和能源研究提供了新方法。除了FEBID之外,还有其他具有功能应用的3D纳米加工方法。宾夕法尼亚州立大学通过双光子聚合生产LED,新加坡科技与设计大学通过多光子光刻技术开发出一种防伪装置。
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利用超音速喷射加速纳米3D打印

FEBID的主要限制是其生产时间长,因而限制了纳米器件的大批量生产。为了克服这一障碍,研究人员寻找一种能够在不增加基板温度的情况下提高沉积速度的方法。

为了激活前体分子,该团队发明了一种直径为几微米的微毛细管注射器。进入沉积真空室,喷射器引入微小的气体分子射流,加速到超音速。吸附在基板上的前体分子被来自超音速射流的能量激发。在这种激活状态下,来自光束的电子之间的化学键更容易破裂。结果,纳米3D打印过程加快了。

“所有这些加快速度,包括分子运动和反应速率,都是指数级的提高,”佐治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院教授Andrei Fedorov解释道。

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超声速气体射流在真空中膨胀并撞击到基板上,导致从激发的吸附前体加速材料沉积。图片来自佐治亚理工学院。


非平衡吸附状态下的快速三维纳米加工

掌握了这项技术后,研究人员希望了解潜在的物理现象。开发关于这种3D纳米加工技术的理论将有助于将其扩展到其他领域,如定向自组装,外延生长和其他领域。

在不干扰其热力学状态的情况下,不能直接测量吸附原子(吸附原子的简称)温度。因此,该团队开发了纳米级温度计模型,以预测吸收有效温度和表面温度,以控制超音速微喷气体撞击。

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非平衡吸附态和快速3D纳米加工。图片来自佐治亚理工学院。


该模型发现了表面吸附分子中自由基热不平衡的新状态。这种独特的热状态允许激发的吸附原子快速表面扩散,因此在不改变基板表面温度的情况下提高了生长速率。控制吸附原子有效温度,可控制表面扩散速率。

超声速喷射三维纳米加工的应用

研究人员相信他们的理论可以为增材纳米制造和新纳米材料带来新的应用。“如果你能适应增材直写技术,这可能会为磁存储器、超导材料、量子器件、3D电子电路以及更多东西带来许多独特的功能,”Fedorov说。“使用传统方法则很难制造出这些结构。”

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加热的毛细管微喷嘴,安装在FEBID系统的沉积打印仓内,以及用于石墨烯互连的沉积物的电特性的测试芯片。图片来自佐治亚理工学院。


在未来的工作中,研究人员计划使用含有高能惰性气体和前体气体的混合式喷气机。除了显著加速3D纳米加工之外,混合喷射还可以在3D打印期间精确控制材料成分。这使得能够形成具有超出现有纳米制造技术范围的相和拓扑结构的纳米结构。

“非平衡原子热态可以实现快速增材纳米制造”的论文,已经在线发表在物理化学期刊上

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/CP/C9CP01478K#!divAbstract 。它由Matthew R. Henry,Songkil Kim和Andrei G. Fedorov共同撰写。


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