研究人员将模拟和实验相结合用于纳米级3D打印丁当

发布时间：2022-12-20 15:34:47 来源：当然娱乐网

研究人员将模拟和实验相结合，用于纳米级3D打印

当产品尺寸为英寸或英尺时，设计3-D打印结构就足够困难了。想象一下，将其收缩到比一滴水还小，甚至比人的头发还小，直到它被普通细菌弄湿为止。

通过聚焦的电子束感应沉积或FEBID，可以在纳米级进行基本3-D打印，从而使这种不可能的小结构成为现实FEBID使用来自扫描电子显微镜的电子束将气态前驱物分子冷凝成表面上的固体沉积物。

以前，此方法费力，容易出错，并且对于创建大于几纳米的复杂结构不切实际。现在，能源部橡树岭国家实验室的一个团队与田纳西大学和格拉茨工业大学合作，开发了一种功能强大的模拟指导制图工艺，以改善FEBID并为纳米制造带来新的可能性。

美国能源部科学用户设施办公室ORNL纳米相材料科学中心的研究人员，团队负责人Jason Fowlkes说，新系统将设计和构造集成到一个简化的过程中，该过程创建了复杂的3-D纳米结构。

奥地利格拉茨的研究合著者Harald Plank说，精确设计定制纳米结构的能力“在3D等离子体技术，独立式纳米传感器和较低纳米级的纳米机械元件上开辟了许多新的应用领域。用其他技术几乎不可能制造出来。”

该过程使用3-D模拟来引导电子束并复制10纳米至1微米大小的复杂晶格和网格。该模型跟踪电子的散射路径和二次电子的释放，以预测材料表面上的沉积方式并可视化实验的最终结构。

根据福克斯的说法，这项工作的创新之处在于实验与模拟的融合。仿真指导了实验的构建，而完成的实验又为仿真的准确性和强度提供了反馈。设计被输入到模拟和绘图程序中，并且由二次电子活性引起的两者之间的任何不一致都可以在实验之前被发现。

Fowlkes说：“以最简单的形式，一旦我们知道了我们不想要的那些二次电子的发射轮廓，就可以围绕它们进行设计。”

Fowlkes说，虽然FEBID工艺比CNMS洁净室中可用的其他纳米加工方法要慢，但它是唯一可以产生高保真3-D纳米结构的方法。由于无法在构建过程中“看到”纳米结构，研究人员以前依靠反复试验来手动调整构建参数以产生所需的形状。

福克斯说，该团队现在将致力于完全净化碳污染的结构。纯化过程称为原位纯化，它在施工过程中使用水或氧气和激光从前驱物中释放出残留的碳并将其冲洗出结构，从而去除了杂质。该模拟甚至可以包含除碳过程的压力，并可以预测最终产品中的转变。

Fowlkes说：“我们可以以一种看起来可能会扭曲实际书写方式的方式来设计结构，但是要考虑到这样一个事实，即它在纯化过程中会缩回和收缩，然后看起来像是正确的结构。”

有关纳米结构和模拟的更多信息，可在ACS Nano发表的论文“通过聚焦电子束诱导沉积的模拟导向3-D纳米制造”中找到。

这项研究的ORNL部分得到了DOE科学用户设施办公室纳米相材料科学中心的支持。