ACS Nano : 三維納米打印中電子束加熱的影響

【引言】

使用聚焦電子束誘導沉積(FEBID)的三維納米制造已經成為可應用于微米級和納米級的增材制造技術。FEBID是一種直接寫入，自下而上的沉積方法，其中具有納米級寬度的電子束局部解離表面結合的前體分子。3D FEBID最近在明確定義的電子束圖案化速度、電子束加速電壓和電流范圍內得到了證明。最近的3D FEBID研究包括模擬引導的FEBID、多前驅體成分控制、使用異核前體的沉積、3D元素構建塊和光學活性3D納米結構。與其他3D技術 (如直接墨水書寫、電流體動力學印刷、激光誘導正向轉移、激光輔助電泳沉積和激光誘導的光還原)相比，3D FEBID是制造高精度和高自由度3D微納結構的更有前途的技術。

【成果簡介】

近日，美國田納西大學Jason D. Fowlkes博士(通訊作者)等通過互補實驗、模型和模擬確定光束誘導的加熱，探究了使用聚焦電子束誘導沉積(FEBID)對網格物體3D納米打印期間的沉積速率影響，并在ACS Nano上發表了題為“Impact of Electron-Beam Heating during 3D Nanoprinting”的研究論文。網格對象使用互連的納米線構造。在納米線生長期間，電子束相互作用驅動沉積也引起局部加熱。隨著納米線生長的熱阻增加，電子束撞擊區域的溫度逐漸升高。散熱類似于延伸表面的傳統傳熱方式，熱量必須流過網狀物體才能到達基板槽。模擬顯示，電子束加熱導致BIR處前驅體解吸速率的增加，導致沉積速率的隨之降低，掩蓋了由熱增強的前驅體表面擴散驅動的沉積速率的增加。溫度變化小至10 K會使沉積幾何形狀發生明顯變化；由于垂直生長速率降低，納米線似乎偏向并朝向基板彎曲。3D FEBID自然地從基板表面向上發生，沿著沉積物引起垂直溫度梯度。模擬、實驗、溫度控制研究和過程電流監測都證實了納米線扭曲的原因是電子束引起的加熱，同時也揭示了決速物理控制最終沉積物形貌。

【圖文簡介】
圖1 支柱和分段增長的校準結構2D示意圖

支柱和分段增長的校準結構2D示意圖。

圖2 樣品電流模擬

從FEBID期間收集的與時間相關的樣本電流曲線中解析分段角度變化。

圖3 FEBID誘導電子束加熱的一維分析模型

分段增長角度(ζ)，隱含地包括在1D加熱模型中隨沉積物的路徑長度上變化的橫截面積函數A(s)。

圖4 預測BIR溫度隨z坐標中的總沉積高度的變化

通過1D分析數學模型(實線)預測沉積物的最高溫度作為沿z坐標的總沉積高度的函數。

圖5 熱阻R_T對分段加熱的影響

熱阻R_T對分段加熱的影響。

圖6 前驅體表面停留時間τ和擴散系數隨溫度的變化

前驅體表面停留時間τ和擴散系數隨溫度的變化。

圖7 BIR溫度隨校準結構高度變化的3D FEBID模擬

BIR溫度隨校準結構高度變化的3D FEBID模擬。

圖8 電子束誘導加熱的反應動力學

電子束誘導加熱的反應動力學。

圖9 溫度控制的FEBID實驗

利用溫度控制的FEBID實驗證實3D FEBID模擬表明的電子束加熱的影響。

圖10 電子束曝光下的三維納米打印

電子束曝光下的三維納米打印。

圖11 FEBID期間受溫度影響的擴散增強再生(1)

FEBID期間受溫度影響的擴散增強再生。

圖12 FEBID期間受溫度影響的擴散增強再生(2)

從同一時刻的幾個成像角度觀察，在分段成核期間第三支沉積物上的前驅體表面覆蓋。

【小結】

綜上所述，作者通過互補實驗、模型和模擬確定光束誘導的加熱，探究了使用聚焦電子束誘導沉積(FEBID)對網格物體3D納米打印期間的沉積速率影響。使用FEBID進行3D納米打印的精度取決于沉積結構復制原始數字設計的程度。目前，需要經驗校正來補償沉積期間的納米線變形和彎曲，這限制了納米級精度。在納米線生長期間，電子束相互作用驅動沉積也引起局部加熱。隨著納米線生長的熱阻增加，束撞擊區域的溫度逐漸升高，導致沉積速率隨之降低，納米線朝向基板彎曲，實驗、數學模型和模擬均證實了上述結果。

文獻鏈接：Impact of Electron-Beam Heating during 3D Nanoprinting (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.8b09341)

本文由abc940504【肖杰】編譯整理。

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