Der Durchbruch bei der Mikroskopie ebnet den Weg für eine atomgenaue Herstellung

Der Krebs Bankrott - Mikroskopie Dokumentation (Juni 2019).

Anonim

Ein Student der University of Texas in Dallas, sein Berater und Industrievertreter glauben, dass sie ein seit langem bestehendes Problem, das Wissenschaftler und Ingenieure beschäftigt, seit mehr als 35 Jahren angehen: Wie man verhindert, dass die Spitze eines Rastertunnelmikroskops in die Oberfläche eines Material während der Bildgebung oder Lithographie.

Details der Lösung der Gruppe erschienen in der Januar-Ausgabe der Zeitschrift Review of Scientific Instruments, die vom American Institute of Physics veröffentlicht wird.

Rastertunnelmikroskope (STMs) arbeiten in einem Ultrahochvakuum und bringen eine Sonde mit feiner Spitze mit einem einzelnen Atom an ihrem Scheitel sehr nahe an die Oberfläche einer Probe. Wenn Spannung an die Oberfläche angelegt wird, können Elektronen über den Spalt zwischen Spitze und Probe springen oder tunneln.

"Betrachten Sie es als eine Nadel, die sehr scharf ist, atomar scharf", sagte Farid Tajaddodianfar, ein Maschinenbau-Student in der Erik Jonsson School of Engineering und Informatik. "Das Mikroskop ist wie ein Roboterarm, der Atome auf der Probenoberfläche erreichen und manipulieren kann."

Das Problem ist, manchmal stürzt die Wolframspitze in die Probe. Wenn es die Probenoberfläche physisch berührt, kann es die Atome unbeabsichtigt umordnen oder einen "Krater" erzeugen, der die Probe beschädigen könnte. Ein solcher "Spitzenaufprall" zwingt den Bediener oft dazu, die Spitze viele Male auszutauschen, wodurch wertvolle Zeit verloren geht.

Dr. John Randall ist außerordentlicher Professor an der UT Dallas und Präsident von Zyvex Labs, einem in Richardson, Texas, ansässigen Nanotechnologieunternehmen, das sich auf die Entwicklung von Werkzeugen und Produkten spezialisiert hat, die Atom für Atom Strukturen herstellen. Zyvex wandte sich an Dr. Reza Moheymani, Professor für Maschinenbau, um das Sturzproblem der STMs zu lösen. Moheunis Stiftungslehrstuhl war ein Geschenk des Zyvex-Gründers James Von Ehr MS81, der 2004 als ausgezeichneter UTD-Alumnus geehrt wurde.

"Was sie zu erreichen versuchen, ist, atomgenaue Fertigung in die Realität zu bringen", sagte Randall, der den Artikel mit James Owen von Tadschaddianfar, Moheimani und Zyvex Labs verfasste. "Dies gilt als die Zukunft der Nanotechnologie, und es ist sehr wichtig, Arbeit."

Randall sagte, dass eine solch präzise Herstellung zu einer Vielzahl von Innovationen führen wird.

"Indem Sie Atom für Atom Strukturen aufbauen, können Sie neue, außergewöhnliche Materialien schaffen", sagte Randall, der Co-Chair des Industry Engagement Committee der Jonsson School ist. "Wir können Verunreinigungen entfernen und Materialien widerstandsfähiger und hitzebeständiger machen. Wir können Quantencomputer bauen. Sie könnten die Kosten drastisch senken und die Fähigkeiten in der Medizin und anderen Bereichen erweitern. Wenn wir beispielsweise DNA auf atomarer und molekularer Ebene besser verstehen können, Das wird uns helfen, die Gesundheitsversorgung genau auf die Bedürfnisse der Patienten abzustimmen und anzupassen. Die Möglichkeiten sind endlos. "

Mohemaani, ein Steuerungsingenieur und Experte für Nanotechnologie, sagte außerdem, dass Wissenschaftler mit dieser Technologie versuchen, Transistoren und Quantencomputer aus einem einzigen Atom zu bauen.

"Es gibt ein internationales Rennen, um Maschinen, Geräte und 3D-Ausrüstung vom Atom aus zu bauen", sagte Moheymani, der Ehrendoktor von James von Ehr für Wissenschaft und Technologie.

"Es ist ein großes, großes Problem"

Randall sagte, Zyvex Labs habe viel Zeit und Geld damit verbracht zu verstehen, was mit den Tipps passiert, wenn sie abstürzen.

"Es ist ein großes, großes Problem", sagte Randall. "Wenn du den Tipp nicht schützen kannst, wirst du nichts bauen. Du verschwendest deine Zeit."

Tajaddodianfar und Moheimani sagten, das Problem sei der Kontrolleur.

"Im STM gibt es einen Rückkopplungsregler, der den Strom misst und die Nadel auf und ab bewegt", sagte Mohemani. "Sie bewegen sich von einem Atom zum anderen, über eine unebene Oberfläche. Es ist nicht flach. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen Probe und Spitze, ebenso wie der Strom zwischen ihnen. Während der Controller versucht, die Spitze nach oben zu bewegen und herunter, um den Strom aufrecht zu erhalten, reagiert es nicht immer gut, noch reguliert es die Spitze richtig. Die resultierende Bewegung der Spitze ist oft instabil. "

Es ist der Feedback-Controller, der die Spitze nicht vor dem Absturz in die Oberfläche schützt, sagte Tajaddodianfar.

"Wenn die elektronischen Eigenschaften über die Probenoberfläche variieren, ist die Spitze unter herkömmlichen Kontrollsystemen anfälliger für einen Bruch", sagte er. "Es soll wirklich, wirklich scharf sein. Aber wenn die Spitze in die Probe fällt, bricht sie, krümmt sich rückwärts und flacht ab.

"Sobald die Spitze in die Oberfläche fällt, vergiss es. Alles ändert sich."

Die Lösung

Laut Randall hat Tajaddodianfar logische Schritte zur Erstellung der Lösung unternommen.

"Die Brillanz von Tajaddodianfar ist, dass er sich das Problem angesehen hat und die Physik des Tunnels zwischen der Spitze und der Oberfläche verstanden hat, dass es eine kleine elektronische Barriere gibt, die die Geschwindigkeit des Tunnels steuert", sagte Randall. "Er hat eine Möglichkeit gefunden, diese lokale Barrierenhöhe zu messen und die Verstärkung des Kontrollsystems so einzustellen, dass die Spitze nachweislich keine Probleme mehr hat. Ohne sie stößt die Spitze einfach zusammen und stürzt in die Oberfläche. Jetzt passt sie sich der Kontrolle an Parameter im laufenden Betrieb. "

Mohemaani sagte, die Gruppe hofft, ihre Entwicklung beim Bau neuer Geräte ändern zu können.

"Das ist das nächste für uns. Wir machten uns auf die Suche nach der Ursache dieses Problems, und wir haben das gemacht. Und wir haben eine Lösung gefunden. Es ist wie alles andere in der Wissenschaft: Die Zeit wird zeigen, wie wirkungsvoll unsere Arbeit sein wird sei ", sagte Mohemani. "Aber ich denke, wir haben das große Problem gelöst."

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