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电子束原子级3-D“雕刻”可以启用新的量子纳米器件

电子束诱导处理
发布:2020-09-15 14:20:26    

通过改变紧密聚焦的电子束的能量和剂量,研究人员已经证明了在二维氧化石墨烯层上蚀刻掉和沉积高分辨率纳米级图案的能力。无需更改电子束沉积室的化学成分即可完成3D加法/减法“雕刻”,这为构建新一代纳米级结构提供了基础。


图像展示出了对氧化石墨烯薄片的图案化蚀刻以产生徽标。蚀刻达到0.9纳米的深度。

图像展示出了在氧化石墨烯表面上添加碳以产生凸起的徽标。沉积达到2.5纳米的高度。

基于聚焦电子束诱导处理(FEBID)技术,这项工作可能允许生产2D / 3D复杂纳米结构和功能性纳米器件,可用于量子通信,传感和其他应用。对于诸如氧化石墨烯的含氧材料,可以使用来自基板的氧来进行蚀刻而无需引入外部材料。

“通过定时和调整电子束的能量,我们可以激活电子束与氧化石墨烯中的氧的相互作用以进行蚀刻,或与表面上的碳氢化合物相互作用以产生碳沉积,” Rae S教授安德烈·费多罗夫说。和Frank H. Neely担任佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院的主席。“通过原子级控制,我们可以使用直接写删除过程生成复杂的图案。量子系统需要在原子尺度上进行精确控制,这可以实现许多潜在的应用。”

该技术已在8月7日的ACS Applied Materials&Interfaces杂志中进行了描述。这项工作得到了美国能源部科学技术办公室的基本能源科学的支持。合著者包括韩国釜山国立大学的研究人员。

传统上,纳米结构的创建是通过光致抗蚀剂涂覆和通过光或电子束光刻进行图案化的多步骤工艺完成的,然后进行干法/湿法蚀刻或沉积。使用该工艺限制了可实现的功能和结构拓扑的范围,增加了复杂性和成本,并冒着受到多个化学步骤污染的风险,这为使用敏感的2D材料制造新型设备制造了障碍。

FEBIP支持材料化学/现场特定的高分辨率多模原子规模处理,并为具有直接成像功能的2D纳米材料的“直接写入”单步表面图案化提供了前所未有的机会。它允许实现快速的多尺度/多模式“自上而下和自下而上”的方法,范围从原子尺度操作到纳米和微米尺度的大面积表面修饰。

“通过调节电子的时间和能量,您可以去除材料或添加材料,”费多罗夫说。“我们没想到在电子暴露氧化石墨烯后我们会开始蚀刻图案。”

利用氧化石墨烯,电子束将原子尺度的扰动引入二维排列的碳原子中,并使用嵌入的氧作为蚀刻剂以精确的方式去除碳原子,而无需将材料引入反应室。费多罗夫说,任何含氧物质都可能产生相同的效果。他说:“就像氧化石墨烯带有自己的蚀刻剂一样。” “我们需要激活它的唯一方法是'播种'与具有适当能量的电子的反应。”

为了添加碳,将电子束长时间聚焦在同一点上会通过电子束与基材的相互作用而产生多余的低能电子,从而使碳氢化合物分子分解到氧化石墨烯的表面上。在那种情况下,电子与碳氢化合物而不是与石墨烯和氧原子相互作用,留下游离的碳原子作为3D沉积物。

他说:“取决于带给它的电子数量,可以从蚀刻的凹槽或二维平面中生长出不同高度的结构。” “您几乎可以把它想像成在适当的时间和正确的位置结合激发电子,基质和吸附分子的全息写法。”

该工艺应适合于沉积诸如金属和半导体之类的材料,尽管需要将前体添加到腔室中以形成它们。仅几纳米高的3D结构可用作石墨烯层之间的间隔物,或用作该层上的有源传感元件或其他设备。

Fedorov说:“如果要将石墨烯或氧化石墨烯用于量子机械设备,则应该能够以单个碳原子的规模分隔放置材料层。” “该过程也可以与其他材料一起使用。”

使用该技术,高能电子束可以产生仅几纳米宽的特征尺寸。通过引入前驱体中包含的金属原子,可以在表面蚀刻的沟槽中填充金属。

除了简单的模式,该过程还可以用于增长复杂的结构。费多罗夫说:“原则上,您可以生长出具有所有复杂细节的纳米级埃菲尔铁塔之类的结构。” “这将花费很长时间,但这是电子束写入可能实现的控制水平。”

尽管已经建立了可以并行使用多个电子束的系统,但Fedorov并没有看到它们在大批量应用中得到使用。他说,更有可能将实验室用于制造对研究有用的独特结构。

他说:“我们正在展示原本无法生产的结构。” “我们希望能够在量子设备等领域开发新功能。这项技术可能会激发想象力,使有趣的新物理学与石墨烯和其他有趣的材料一起出现。”

除了Fedorov之外,研究团队还包括韩国釜山国立大学的Songkil Kim,SungYeb Jung,Jaekwang Lee和Seokjun Kim。

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