在原子水平上复制材料

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复制表面,一直到原子的几分之一

在原子水平上复制材料的能力引起了材料科学家的极大关注。但是,当前的技术受到许多因素的限制。机械工程与材料科学教授兼系主任Udo Schwarz最近发表了两篇有关研究的论文,这些论文可能会大大开拓这一新兴领域的可能性。他的方法包括将表面特征复制到小于一米的十亿分之一米或小于原子直径的1/20的细节的过程。

纳米结构和纳米图案表面是许多纳米技术应用中不可或缺的组成部分。纳米压印方法易于使用且经济,在诸如高密度数据存储,光子器件,全息图,生物纳米流体芯片,水过滤以及燃料电池中的电极等应用中具有巨大的潜力。但是,由于大多数材料的原子结构,复制的精确度受到限制。

Schwarz在APL Materials中指出,与金属玻璃一起使用时,复制表面特征时的精度几乎没有限制。实际上,精度水平可以降至亚原子水平。关键是材料的原子结构。不同于结晶材料,其具有的原子是专门配置,在眼镜原子排列不限制周期性顺序原则。

施瓦茨说:“晶体总是想把原子放在特定的位置,如果模具与原子不匹配,那你就不走运了。”

但是金属玻璃没有如此严格地排列的原子,因此它们可以根据需要进行调整。通过加热玻璃,研究人员能够弱化材料的内部凝聚力,以使原子能够以接近完美的精度移动所需的方式。

他说:“我们第一次证明了您拥有的任何结构,您都可以复制它-金属玻璃将正确地符合它。” “您可以做到几乎没有准确性的限制。”

这意味着它们可以为推进玻璃的结构,变形和相变的基础研究提供理想的平台,并且可以在通过地形图使用表面功能化的领域中实现新颖的应用。

该杂志将其作为“精选文章”进行宣传的APL材料论文的合著者是周超,阿米特·达提,郑铮,乔治·西蒙,王新哲和扬·施罗尔斯。

在第二篇论文中,Schwarz在ACS Applied Materials and Interfaces中还研究了大块金属玻璃的纳米制造,但是采用了不同的方法。

对于这项研究,该杂志获得了杂志的“编辑选择”称号,施瓦茨开发了一种基于磁控溅射的方法。在磁控溅射中,气体离子(通常是氩气)撞击“靶”并在此过程中射出靶原子。然后,所喷射的原子穿过真空,最终到达其上形成膜的衬底。由于可以用作靶材的合金种类繁多,并且可以覆盖的基底面积很大,因此该方法为研究人员提供了一个用于选择所需表面化学物质的大型工具箱,同时在尺寸,形状和性质方面极为灵活表面图案和可以使用的模具。Schwarz说,它可以有效地将原子级复制从“科学好奇心”提升到广泛使用的纳米加工工具。

在复制过程中,高准确性部分取决于溅射技术,而且还决定性地取决于用于溅射薄膜的目标合金不会结晶的事实。因此,尝试建立晶序的薄膜没有尺寸限制。

“它表明,我们可以大规模复制低至亚埃(不到十亿分之一米的表面)的表面结构,这可能为大规模地使用这些材料生产实际工件开辟道路。并以可承受的价格提供,”他说。

由于仅需要少量的材料,因此新方法是经济的。它也适用于各种各样的合金,可以复制的模具类型灵活,可以轻松放大。这种新方法的潜在应用包括开发用于纳米电子应用的纳米线和纳米管。


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