Ao variar a energia e a dose de feixes de elanãtrons fortemente focados, os pesquisadores demonstraram a capacidade de gravar e depositar padraµes em nanoescala de alta resolução em camadas bidimensionais de a³xido de grafeno. A "escultura" aditiva / subtrativa 3-D pode ser feita sem alterar a química da ca¢mara de deposição do feixe de elanãtrons, fornecendo a base para a construção de uma nova geração de estruturas em nanoescala.

Com base em técnicas de processamento induzido por feixe de elanãtrons focado (FEBID), o trabalho pode permitir a produção de nanoestruturas complexas 2-D / 3-D e nanodispositivos funcionais aºteis em comunicações qua¢nticas, detecção e outras aplicações. Para materiais que contem oxigaªnio, como a³xido de grafeno, a corrosão pode ser feita sem a introdução de materiais externos, usando o oxigaªnio do substrato.

"Ao sincronizar e sintonizar a energia do feixe de elanãtrons , podemos ativar a interação do feixe com o oxigaªnio no a³xido de grafeno para fazer a corrosão, ou a interação com hidrocarbonetos nasuperfÍcie para criar deposição de carbono", disse Andrei Fedorov, professor e Rae S e Frank H. Neely Chair da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering do Georgia Institute of Technology. "Com o controle em escala atômica, podemos produzir padraµes complicados usando processos diretos de gravação e remoção. Os sistemas qua¢nticos requerem controle preciso em escala atômica e isso pode permitir uma sanãrie de aplicações potenciais."

A técnica foi descrita em 7 de agosto na revista ACS Applied Materials & Interfaces . O trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escrita³rio de Ciências, Ciências Ba¡sicas de Energia. Os co-autores inclua­ram pesquisadores da Pusan ​​National University na Coreia do Sul.

A criação de estruturas em nanoescala étradicionalmente feita usando um processo de várias etapas de revestimento fotorresistente e padronização por litografia de feixe de elanãtrons ou foto , seguido por corrosão a seco / aºmida ou deposição. O uso desse processo limita a gama de funcionalidades e topologias estruturais que podem ser alcana§adas, aumenta a complexidade e o custo, e arrisca a contaminação das várias etapas químicas, criando barreiras para a fabricação de novos tipos de dispositivos a partir de materiais 2-D sensa­veis.

O FEBIP permite um processamento em escala atômica multimodo de alta resolução e química de materiais / local especa­fico e oferece oportunidades sem precedentes para padronização desuperfÍcie de "gravação direta" e etapa única de nanomateriais 2-D com capacidade de imagem in-situ. Ele permite a realização de uma abordagem multiescala / multimodo rápida "de cima para baixo e de baixo para cima", variando de uma manipulação em escala atômica a uma modificação desuperfÍcie de grande área em nano e microescalas.

"Ajustando o tempo e a energia dos elanãtrons, vocêpode remover ou adicionar material", disse Fedorov. "Nãoespera¡vamos que, após a exposição do elanãtron ao a³xido de grafeno, comea§a¡ssemos os padraµes de corrosão."

Com o a³xido de grafeno, o feixe de elanãtrons introduz perturbações de escala atômica nos a¡tomos de carbono dispostos em 2-D e usa oxigaªnio embutido como um condicionador para remover a¡tomos de carbono em padraµes precisos sem a introdução de um material na ca¢mara de reação. Fedorov disse que qualquer material contendo oxigaªnio pode produzir o mesmo efeito. "a‰ como se o a³xido de grafeno carregasse seu pra³prio condicionador", disse ele. "Tudo o que precisamos para ativa¡-lo é'semear' a reação com elanãtrons de energia apropriada."

Para adicionar carbono, manter o feixe de elanãtrons focado no mesmo ponto por mais tempo gera um excesso de elanãtrons de baixa energia por meio de interações do feixe com o substrato para decompor as moléculas de hidrocarboneto nasuperfÍcie do a³xido de grafeno. Nesse caso, os elanãtrons interagem com os hidrocarbonetos em vez dos a¡tomos de grafeno e oxigaªnio, deixando para trás os a¡tomos de carbono liberados como um depa³sito 3-D.

"Dependendo de quantos elanãtrons vocêtraz para ele, vocêpode fazer crescer estruturas de diferentes alturas longe das ranhuras gravadas ou do plano bidimensional", disse ele. "Vocaª pode pensar nisso quase como uma escrita hologra¡fica com elanãtrons excitados, substrato e moléculas adsorvidas combinadas na hora certa e no lugar certo."

O processo deve ser adequado para depositar materiais como metais e semicondutores, embora precursores precisem ser adicionados a  ca¢mara para sua criação. As estruturas 3-D, com apenas nana´metros de altura, podem servir como espaa§adores entre camadas de grafeno ou como elementos sensores ativos ou outros dispositivos nas camadas.

"Se vocêquiser usar grafeno ou a³xido de grafeno para dispositivos de meca¢nica qua¢ntica, deve ser capaz de posicionar camadas de material com uma separação na escala de a¡tomos de carbono individuais", disse Fedorov. "O processo também pode ser usado com outros materiais."

Usando a técnica, feixes de elanãtrons de alta energia podem produzir recursos de tamanhos de apenas alguns nana´metros de largura. As trincheiras gravadas emsuperfÍcies podem ser preenchidas com metais pela introdução de a¡tomos de metal contendo precursores.

Além de padraµes simples, o processo também pode ser usado para desenvolver estruturas complexas. "Em princa­pio, vocêpoderia desenvolver uma estrutura como uma Torre Eiffel em nanoescala com todos os detalhes intrincados", disse Fedorov. "Levaria muito tempo, mas esse éonívelde controle possí­vel com a escrita do feixe de elanãtrons."

Embora os sistemas tenham sido construa­dos para usar maºltiplos feixes de elanãtrons em paralelo, Fedorov não os vaª sendo usados ​​em aplicações de alto volume. O mais prova¡vel, disse ele, éo uso de laboratório para fabricar estruturas únicas aºteis para fins de pesquisa.

“Estamos demonstrando estruturas que de outra forma seriam impossa­veis de produzir”, disse ele. "Queremos permitir a exploração de novos recursos em áreas como dispositivos qua¢nticos. Esta técnica pode ser um habilitador de imaginação para novos fa­sicos interessantes que vão em nossa direção com o grafeno e outros materiais interessantes."