通過改變緊密聚焦的電子束的能量和劑量，研究人員已經(jīng)證明了在二維氧化石墨烯層上蝕刻掉和沉積高分辨率納米級圖案的能力。無需更改電子束沉積室的化學(xué)成分即可完成3D加法/減法“雕刻”，這為構(gòu)建新一代納米級結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。

圖像展示出了對氧化石墨烯薄片的圖案化蝕刻以產(chǎn)生徽標(biāo)。蝕刻達(dá)到0.9納米的深度。

圖像展示出了在氧化石墨烯表面上添加碳以產(chǎn)生凸起的徽標(biāo)。沉積達(dá)到2.5納米的高度。

基于聚焦電子束誘導(dǎo)處理(FEBID)技術(shù)，這項(xiàng)工作可能允許生產(chǎn)2D / 3D復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)和功能性納米器件，可用于量子通信，傳感和其他應(yīng)用。對于諸如氧化石墨烯的含氧材料，可以使用來自基板的氧來進(jìn)行蝕刻而無需引入外部材料。

“通過定時(shí)和調(diào)整電子束的能量，我們可以激活電子束與氧化石墨烯中的氧的相互作用以進(jìn)行蝕刻，或與表面上的碳?xì)浠衔锵嗷プ饔靡援a(chǎn)生碳沉積，” Rae S教授安德烈·費(fèi)多羅夫說。和Frank H. Neely擔(dān)任佐治亞理工學(xué)院喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院的主席。“通過原子級控制，我們可以使用直接寫刪除過程生成復(fù)雜的圖案。量子系統(tǒng)需要在原子尺度上進(jìn)行精確控制，這可以實(shí)現(xiàn)許多潛在的應(yīng)用。”

該技術(shù)已在8月7日的ACS Applied Materials&Interfaces雜志中進(jìn)行了描述。這項(xiàng)工作得到了美國能源部科學(xué)技術(shù)辦公室的基本能源科學(xué)的支持。合著者包括韓國釜山國立大學(xué)的研究人員。

傳統(tǒng)上，納米結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建是通過光致抗蝕劑涂覆和通過光或電子束光刻進(jìn)行圖案化的多步驟工藝完成的，然后進(jìn)行干法/濕法蝕刻或沉積。使用該工藝限制了可實(shí)現(xiàn)的功能和結(jié)構(gòu)拓?fù)涞姆秶黾恿藦?fù)雜性和成本，并冒著受到多個(gè)化學(xué)步驟污染的風(fēng)險(xiǎn)，這為使用敏感的2D材料制造新型設(shè)備制造了障礙。

FEBIP支持材料化學(xué)/現(xiàn)場特定的高分辨率多模原子規(guī)模處理，并為具有直接成像功能的2D納米材料的“直接寫入”單步表面圖案化提供了前所未有的機(jī)會。它允許實(shí)現(xiàn)快速的多尺度/多模式“自上而下和自下而上”的方法，范圍從原子尺度操作到納米和微米尺度的大面積表面修飾。

“通過調(diào)節(jié)電子的時(shí)間和能量，您可以去除材料或添加材料，”費(fèi)多羅夫說。“我們沒想到在電子暴露氧化石墨烯后我們會開始蝕刻圖案。”

利用氧化石墨烯，電子束將原子尺度的擾動引入二維排列的碳原子中，并使用嵌入的氧作為蝕刻劑以精確的方式去除碳原子，而無需將材料引入反應(yīng)室。費(fèi)多羅夫說，任何含氧物質(zhì)都可能產(chǎn)生相同的效果。他說：“就像氧化石墨烯帶有自己的蝕刻劑一樣。” “我們需要激活它的唯一方法是'播種'與具有適當(dāng)能量的電子的反應(yīng)。”

為了添加碳，將電子束長時(shí)間聚焦在同一點(diǎn)上會通過電子束與基材的相互作用而產(chǎn)生多余的低能電子，從而使碳?xì)浠衔锓肿臃纸獾窖趸┑谋砻嫔稀Ｔ谀欠N情況下，電子與碳?xì)浠衔锒皇桥c石墨烯和氧原子相互作用，留下游離的碳原子作為3D沉積物。

他說：“取決于帶給它的電子數(shù)量，可以從蝕刻的凹槽或二維平面中生長出不同高度的結(jié)構(gòu)。” “您幾乎可以把它想像成在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和正確的位置結(jié)合激發(fā)電子，基質(zhì)和吸附分子的全息寫法。”

該工藝應(yīng)適合于沉積諸如金屬和半導(dǎo)體之類的材料，盡管需要將前體添加到腔室中以形成它們。僅幾納米高的3D結(jié)構(gòu)可用作石墨烯層之間的間隔物，或用作該層上的有源傳感元件或其他設(shè)備。

Fedorov說：“如果要將石墨烯或氧化石墨烯用于量子機(jī)械設(shè)備，則應(yīng)該能夠以單個(gè)碳原子的規(guī)模分隔放置材料層。” “該過程也可以與其他材料一起使用。”

使用該技術(shù)，高能電子束可以產(chǎn)生僅幾納米寬的特征尺寸。通過引入前驅(qū)體中包含的金屬原子，可以在表面蝕刻的溝槽中填充金屬。

除了簡單的模式，該過程還可以用于增長復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。費(fèi)多羅夫說：“原則上，您可以生長出具有所有復(fù)雜細(xì)節(jié)的納米級埃菲爾鐵塔之類的結(jié)構(gòu)。” “這將花費(fèi)很長時(shí)間，但這是電子束寫入可能實(shí)現(xiàn)的控制水平。”

盡管已經(jīng)建立了可以并行使用多個(gè)電子束的系統(tǒng)，但Fedorov并沒有看到它們在大批量應(yīng)用中得到使用。他說，更有可能將實(shí)驗(yàn)室用于制造對研究有用的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

他說：“我們正在展示原本無法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。” “我們希望能夠在量子設(shè)備等領(lǐng)域開發(fā)新功能。這項(xiàng)技術(shù)可能會激發(fā)想象力，使有趣的新物理學(xué)與石墨烯和其他有趣的材料一起出現(xiàn)。”

除了Fedorov之外，研究團(tuán)隊(duì)還包括韓國釜山國立大學(xué)的Songkil Kim，SungYeb Jung，Jaekwang Lee和Seokjun Kim。