用金屬墨水來書寫神奇！

材料牛注：納米尺度的圖案化對電子器件的制成至關重要，其納米制造方法主要是納米光刻法。目前，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家發現了一種在液體中書寫圖案的方法，這到底是如何實現的呢？讓我們來一探究竟吧！

近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家，首次利用掃描式投射顯微鏡直接在金屬“墨水”中書寫圖案，且圖案寬度還不到人頭發絲的一半。

自動化過程的控制是將STEM設備中電子束聚焦到充滿液體的區域，使金屬沉積在硅微芯片來實現的，沉積得到的圖案尺寸是“納米級別”，或是原子、分子級別。

通常來說，納米圖案化的制備需要應用光刻技術，即采用抗蝕劑對其他區域進行保護。而橡樹嶺國家實驗室這一直接書寫的新技術與光刻技術的區別在于，不需要抗蝕劑。

關于這一技術的更多性能細節發表于英國皇家化學學會的雜志--Nanoscale上，研究人員近期正在申請專利。這一技術將為定制的電子設備和其他應用的制備提供一種新的思路和方法。

文章的第一作者，美國能源部橡樹嶺國家實驗室納米材料科學中心的Raymond Unocic說道：“我們可以在特定位置通過沉積高純的金屬來量身定做材料的性能要求，我們還可以定制體系的結構和化學組成，但是這僅僅限于在液體中可溶解的，且能夠發生化學反應的體系。”

實驗采用的是繪圖圖像來處理納米模板，然后將電子束射入含有氯化鈀溶液的區域中，電子束通過的區域將會有純鈀分離出來并沉積。

液體環境對化學來說是必不可少的。研究人員首先需要找到一種方法來封裝液體，以確保顯微鏡內的真空吸塵器極端干燥，不會將液體蒸發。研究人員開始用氮化硅膜作為通過該電子束可通過的一個窗口，制成微芯片的區域。

然后，研究人員需要從STEM儀器中引出新功能。Unocic說道：“利用成像和光譜顯微鏡，來實現對特定地點的納米化學反應的控制。與其電子束光刻技術一樣，可通過接口的顯微鏡方式來控制光束，但是這與掃描透射電子顯微鏡像差校正的設置的方式不一樣。”

Stephen Jesse是納米材料科學中心的定向納米轉變小組的領導者，這一小組旨在研究科學家們用以觀察和理解事物及其納米性質的工具，并探討這些工具能否通過原子變換來構建特定的功能結構。Jesse說道：“我們現在做的是納米級的實驗工作，這意味著我們能夠隨意地引發和停止反應，也可實時監督正在發生的反應。”

Jesse最近開發了一種作為納米光刻圖案與STEM掃描線圈之間接口的系統，而且橡樹嶺國家實驗室的研究人員已經用它來有選擇性地轉變固體。顯微鏡將電子束聚焦成一個細點，可以通過控制掃描線圈的移動來實現。Unocic和Andrew Lupini、Albina Borisevich以及Sergei Kalinin integrated完善了Jesse設計的顯微鏡掃描控制/納米光刻系統，以便能夠控制光束進入液體區域。David Cullen隨后對其進行了化學分析。

Jesse說道：“電子束誘導納米光刻很大程度上依賴于高能電子束對納米尺度上的化學反應的控制。”系統控制電子束的位置、速度和劑量，進入系統電子的量決定了化學轉變過程的快慢。

這一納米技術與大規模的活動相類似，比如橡樹嶺國家實驗室的生產管理部門使用電子束來生產3D打印用材料。在這種情況下，電子束先把粉末熔化，而后發生凝固，一層一層地來生產一個部件。

Unocic說道：“其實我們根本上是在做相同的事，但是我們是在液體中進行。現在，我們可從液相的先驅體溶液中合成我們預期的結構及化學性質，通過調整其理化性質來達到特定應用的要求。”

對光束位置和電子劑量的精確控制能構建不同的結構。封裝液體的不同，在隨后的圖案化過程中也將發生不同的化學反應。

目前液體油墨中金屬的像素可以直接寫為40納米，是流感病毒寬度的兩倍。在今后的工作中，Unocic及其同事將致力于使其分辨率降至10納米，接近傳統的納米光刻技術的狀態。他們也想制造出多組分結構。

原文鏈接：Electron beam microscope directly writes nanoscale features in liquid with metal ink。

文獻鏈接：Direct-write liquid phase transformations with?a scanning transmission electron microscope。

本文由編輯部丁菲菲提供素材，黃敏編譯，點我加入材料人編輯部。