通过使用微小的高能超音速惰性气体射流激励前体分子，研究人员大大加速了纳米级结构的制造。快速增材制造技术还允许它们生产具有高纵横比的结构。现在，开发用于描述该技术的理论可以为添加剂纳米制造和新的纳米级材料带来新的应用。
基于聚焦电子束沉积，该技术允许结构由气相前体制造，其速率接近液相中可预期的速率 - 所有这些都不会升高基板的温度。这可能导致制造纳米级结构的速率使其可用于磁存储器，高频天线，量子通信设备，自旋电子学和原子级谐振器。
佐治亚理工学院乔治W.伍德拉夫机械工程学院教授安德烈费奥多罗夫说：“我们正在控制原子尺度上的问题，以实现增材制造的新模式。” “这项新科学可能带来可能不可能的增材制造应用。由此产生的新技术将为原子尺度的增材制造开辟新的维度。”
这项工作源于试图使用电子束创建小结构的挫败感，电子束的直径可能只有几纳米。该研究得到了美国能源部科学办公室的支持，并于5月28日在物理化学化学物理杂志上发表。
Fedorov解释说：“当我们去实验室使用聚焦电子束进行纳米加工时，这些电子束的尺寸只有几纳米，我们无法生长只有几纳米的结构。它们长到50或100纳米。” “而且生产结构也需要很长时间，这意味着，如果没有改进，我们将永远无法以高产量生产它们。”
Fedorov和合作者Matthew Henry和Songkil Kim意识到产生这些结构的反应很慢，并且与它们生长的基质的热力学状态有关。他们决定为这个过程增加一些能量来加快速度 - 快一百倍。
结果是发明了直径为几微米的微毛细管注射器，其可以将微小的气体分子射流引入沉积室以激活纳米级结构的前体。部分是因为射流进入真空室，气体加速到超音速。来自超音速射流的能量激发吸附到基板上的前体分子。
“这种充满活力的热状态使得来自光束的电子更容易破坏化学键，因此，结构生长得更快，”Fedorov说。“所有这些扩增，包括分子转运和反应速率，都是指数级的，这意味着一个微小的变化可以导致结果的显着增加。”
通过实验观察到了这一点，但是为了理解如何控制过程并扩展其应用，研究人员希望为他们所看到的内容创建一个理论。他们使用纳米级测温技术测量吸附原子的温度 - 也称为吸附原子 - 受到喷射，并利用这些信息来帮助理解工作中的基本物理。
“一旦我们拥有一个模型，它就会成为一种设计工具，”费奥多罗夫说。“凭借我们所展示的这种理解和能力，我们可以将它们扩展到其他领域，例如定向自组装，外延生长和其他领域。这可以使一系列新功能能够使用这种直写纳米加工。 “
模型的开发和对其背后的第一原理物理的理解也可以使其他研究人员找到新的应用。
“通过这种方式，您可以获得与液相前体几乎相同的数量级增长率，但仍然可以获得丰富的可能前体，操纵合金化的能力以及已经开发的所有经验多年来，气相沉积，“Fedorov说。“这项技术将使我们能够从实际的角度和具有成本效益的方面做出有意义的规模。”
快速生产小型三维结构的能力可以开辟一系列新的应用。
“如果你能适应添加剂直写技术，这可能会为磁存储器，超导材料，量子器件，3D电子电路以及更多东西带来许多独特的功能，”他说。“目前使用传统方法很难制造出这些结构。”
除了使用喷嘴加速已经在基板上的前体材料的沉积之外，研究人员还创造了包含高能惰性气体和前体气体的混合喷射，这不仅可以显着加速纳米结构的生长，而且可以精确控制材料成分在成长期间。在未来的工作中，研究人员计划使用这些混合方法来形成具有相位和拓扑结构的纳米结构，这是任何现有纳米加工技术都无法实现的。