新技术使快速和便宜的Nanomanufacturing

浏览次数:16 时间:1970-01-01

麻省理工学院最新发表的一篇研究报告详细介绍了喷射离子化材料的小锥形尖端阵列如何便宜地制造纳米级器件。 /

麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的Luis FernandoVelásquez-García小组开发了密集的微观锥体阵列,利用静电力驱逐离子流。

该技术具有一系列有前景的应用:在纳米级机械设备上沉积或蚀刻特征;纺出用于水过滤器,防弹衣和“智能”纺织品的纳米纤维;或用于拳头大小的“纳米卫星”的推进系统。

在最新一期IEEE期刊微机电系统中,Velásquez-García,他的研究生Eric Heubel和Philip Ponce de Leon以及他的小组的博士后Frances Hill描述了一种新的原型阵列,每个阵列产生10倍的离子电流发射器,以前的阵列。

离子电流是移动离子携带的电荷的量度,其直接转化为粒子可以被喷射的速率。因此较高的电流允许更高效的制造和更灵活的卫星。

同样的原型还将1,900个发射器放在一个只有一平方厘米的芯片上,即使是其前身最好的芯片尺寸和发射极密度也是四倍。

MTL首席研究科学家Velásquez-García说:“这是一个从微型化元件中受益的领域,因为缩小发射器意味着更少的功耗,更少的偏置电压来操作它们,并且吞吐量更高。 “我们一直在解决的主题是如何使这些设备尽可能接近理论极限,以及如何通过多路复用大大提高吞吐量,以及大规模并行操作的设备。”

当Velásquez-García谈到“理论极限”时,他正在谈论的是液滴 - 分子团块 - 而不是离子 - 单个分子 - 开始从发射器流出的点。在其他问题中,液滴较重,所以它们的喷射速度较低,这使得它们对蚀刻或卫星推进的用处较小。

Velásquez-García的原型喷出的离子是由在室温下为液体的离子盐制成的。表面张力将流体从发射器的侧面吸到锥体的尖端,其狭窄集中了静电场。在尖端,液体被电离并且理想地一次喷射一个分子。

减缓流量

当发射器中的离子电流足够高时,液滴形成是不可避免的。但之前的发射阵列 - 由Velásquez-García集团和其他公司构建的阵列 - 远低于该门槛。

增加阵列的离子电流是调节离子盐在发射器两侧的流动的问题。要做到这一点,麻省理工学院的研究人员以前曾使用黑色硅,这种硅是一种生长成紧密堆积的鬃毛的硅。但在新作品中,他们使用碳纳米管 - 原子厚的碳片卷成圆柱形 - 生长在发射器的斜坡上,就像山上的树木一样。

通过仔细地调整纳米管的密度和高度,研究人员能够实现流体流动,使得工作离子电流处于非常接近理论极限的水平。

Velásquez-García说:“我们还表明,他们的工作是统一的 - 每个发射器都在做同样的事情。”Velásquez-García说。这对纳米制造应用至关重要,其中蚀刻的深度或沉积物的高度必须在整个芯片上保持一致。

为了控制纳米管的生长,研究人员首先用超薄催化剂膜覆盖发射体阵列,通过与衬底和环境的化学反应将其分解成颗粒。然后他们将阵列暴露于富含碳的等离子体中。纳米管在催化剂颗粒下面长大,直到催化剂降解。

Velásquez-García说,增加发射器密度(新报告中提到的另一个改进)是优化现有制造“配方”。像大多数纳米级硅器件一样,发射器是通过光刻工艺生产的,这种工艺将图案光学转移到沉积在硅片上的材料层上;等离子体然后根据图案蚀刻掉材料。 “配方是气体,功率,压力水平,时间和蚀刻顺序,”Velásquez-García说。 “15年前我们开始做电喷阵列,并且使不同代的器件为我们提供了使它们更好的技术。”

纳米印刷

Velásquez-García认为,使用发射器阵列生产纳米器件可能比光刻技术有一些优势 - 这种技术可以自行生成阵列。由于它们可以在室温下运行,而且不需要真空室,阵列可以沉积不能承受许多微观和纳米制造工艺极端条件的材料。它们可以消除沉积新材料层的费时过程,将它们暴露于光学图案,蚀刻它们,然后再重新开始。

Velásquez-García说:“在我看来,最好的纳米系统将通过3D打印完成,因为它可以绕过标准微制造的问题。 “它使用昂贵的设备,这需要高水平的培训来操作,而一切都是在飞机上进行定义的。在许多应用中,您需要三维:3D打印将会在我们可以放在一起的各种系统和我们可以做的优化方面发挥巨大作用。“

“通常,这种类型的发射器的兴趣是能够发射一束离子而不是一束液滴,”洛桑联邦理工学院空间技术实验室微系统副教授Herbert Shea说。 “使用他们的纳米管森林,他们能够使设备以纯离子模式运行,但具有与液滴模式相关的高电流。”

Shea认为,至少在近期内,该技术最有前途的应用是在航天器推进中。 “要把它变成一个实用的微加工工具将需要很多努力,而将它用作小型航天器的推进力则需要很少的努力,”他说。 “你希望进入离子模式的原因是将推进剂的质量转化为航天器的动力。”

出版物:Hill,F.A.等人,“高通量离子液体离子源,使用具有集成抽出器栅格和碳纳米管流动控制结构的微型电喷发射器阵列”,Microelectromechanical Systs,2014; DOI:10.1109 / JMEMS.2014.2320509

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty

图片:微机电系统杂志/彩色麻省理工学院新闻

Copyright © 2017 pk10推算冠军号 版权所有