I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato un metodo più veloce di stampa 3D nano con fasci di elettroni focalizzati. Viene inventato un minuto getto di gas supersonico ad alta energia per accelerare la deposizione di materiali precursori. Questa tecnica ha portato alla scoperta di un fenomeno termodinamico e anche nuove applicazioni per la nanofabbricazione 3D.
Focused Electron Beam Induced Deposition (FEBID) è un metodo di scrittura diretta di nanofabbricazione 3D. Un fascio di elettroni ad alta energia e un getto di gas precursori eccitati termicamente si concentrano sullo stesso punto su un substrato. La deposizione di molecole precursori si verifica quando il fascio di elettroni colpisce il substrato. In questo modo è possibile realizzare complesse strutture nano 3D con un controllo preciso. Oltre all’elevata precisione di deposizione, FEBID gode anche di una grande libertà nella forma e nella composizione del deposito.
Le strutture 3D su scala nanometrica consentono nuovi approcci per il monitoraggio dello stato, l’elaborazione dei computer e la ricerca energetica. Oltre a FEBID, esistono altri metodi di nanofabbricazione 3D con applicazioni funzionali. Penn State ha prodotto i LED mediante polimerizzazione a due fotoni e la Singapore University of Technology and Design ha sviluppato un dispositivo anti-contraffazione mediante litografia multifotonica .
Accelera la stampa 3D nano con jet supersonici
La principale limitazione a FEBID è il suo lungo tempo di produzione che limita la produzione ad alto volume di nano-dispositivi. Con l’obiettivo di superare questa barriera, i ricercatori hanno cercato un metodo che aumentasse la velocità di deposizione senza aumentare la temperatura del substrato.
Per eccitare le molecole precursori, il team ha inventato un iniettore micro-capillare di pochi micrometri di diametro. Entrando nella camera del vuoto di deposizione, l’iniettore introduce piccoli getti di molecole gassose che accelerano a velocità supersoniche. Le molecole precursori adsorbite sul substrato sono eccitate dall’energia del getto supersonico. In questo stato attivato, i legami chimici tra gli elettroni del raggio si rompono molto più facilmente. Di conseguenza, il processo di stampa 3D nano è accelerato.
“Tutta questa amplificazione, sia il trasporto delle molecole che la velocità di reazione, sono esponenziali”, ha spiegato Andrei Fedorov , professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology.
Dopo aver imparato la tecnica, i ricercatori hanno voluto capire il fenomeno fisico sottostante. Lo sviluppo di una teoria su questa tecnica di nanofabbricazione 3D aiuterà ad espanderla in altri campi come l’autoassemblaggio diretto, la crescita epitassiale e altre aree.
La temperatura di Adatom (abbreviazione di atomi adsorbiti) non può essere misurata direttamente senza disturbare il suo stato termodinamico. Pertanto, il team ha sviluppato un modello termometrico su scala nanometrica per prevedere sia la temperatura effettiva dell’adatom che la temperatura superficiale in risposta all’impingezione di gas microjet supersonici.
Lo stato adatom di non equilibrio e la nanofabbricazione 3D additiva rapida. Immagine tramite Georgia Institute of Technology.
Questo nuovo modello ha scoperto un nuovo stato di non equilibrio termico radicale nelle molecole adsorbite in superficie. Questo straordinario stato termico consente una rapida diffusione superficiale di adatomi eccitati, quindi un aumento dei tassi di crescita senza modificare la temperatura della superficie del substrato. La capacità di controllare la temperatura effettiva dell’adatom consente il controllo della velocità di diffusione superficiale. Ciò consente a tutta una serie di processi di produzione di additivi su scala nanometrica che dipendono dalla diffusione superficiale delle molecole precursori.
Applicazioni della nanofabbricazione 3D con getti supersonici
I ricercatori ritengono che la loro teoria possa portare a nuove applicazioni per la nanomaniproduzione additiva e nuovi materiali in nanoscala. “Se riesci ad adattare le tecniche di scrittura diretta additiva , questo potrebbe portare molte capacità uniche per la memoria magnetica, i materiali superconduttori, i dispositivi quantistici, i circuiti elettronici 3D e molte altre cose”, ha detto Fedorov. “Queste strutture sono attualmente molto difficili da realizzare utilizzando metodi convenzionali.”
Nel lavoro futuro, i ricercatori prevedono di utilizzare getti ibridi contenenti sia gas inerte ad alta energia sia gas precursori. Oltre alla drammatica accelerazione della nanofabbricazione 3D, i getti ibridi possono anche controllare con precisione la composizione del materiale durante la stampa 3D. Ciò consente la formazione di nanostrutture con fase e topologia al di fuori della portata delle tecniche di nanomaniproduzione esistenti.
” Lo stato termico di non equilibrio adatom consente una rapida nanomantificazione di additivi ” è pubblicato online sulla rivista di fisica chimica chimica . È co-autore di Matthew R. Henry, Songkil Kim e Andrei G. Fedorov.
Un’illustrazione del processo FEBID. Le figure numerate mostrano le particelle di gas iniettate (1) precursori iniettate (2) e le sostanze che rilasciano (3) formano una superficie controllata e atomi collegati al metallo (4). Immagine via Beilstein J Nanotechnol. 2012; 3: 597–619. 
Un microugello capillare riscaldato installato sullo stadio di deposizione di un sistema FEBID, insieme al chip di prova utilizzato per la caratterizzazione elettrica dei depositi per le interconnessioni di grafene. 
Densità molecolare del getto di gas supersonico man mano che si espande nel vuoto e si attacca su un substrato, portando a una deposizione accelerata del materiale da un precursore adsorbito eccitato.