ジョージア工科大学、超音速ガスジェット技術を用いたナノ3Dプリント技術を開発

ジョージア工科大学、超音速ガスジェット技術を用いたナノ3Dプリント技術を開発
2019年7月29日、アンタークティックベアは、ジョージア工科大学の研究者らが集束電子ビームを使用したより高速なナノ3Dプリント法を開発したことを海外メディアから知りました。彼らは、前駆体物質の堆積を加速するために、小型で高エネルギーの超音速ガスジェットを開発した。 この技術は、熱力学現象や 3D ナノファブリケーションにおける新たな応用を発見する可能性があります。

集束電子ビーム誘起堆積

集束電子ビーム誘起堆積法 (FEBID) は、3D ナノファブリケーションのための直接的な方法です。 高エネルギー電子のビームと熱励起された前駆体ガスの流れが基板上の同じ点に集中されます。 電子ビームが基板に当たると、物質の分子が堆積します。 この方法では、精密な制御により複雑なナノ構造を 3D 形式で生成できます。 FEBID テクノロジーは、高い堆積精度に加え、大きなサイズの印刷が可能で、幅広い材料をサポートします。


FEBID プロセスの図解。制御された表面と金属結合原子(4)を形成するための前駆体ガス粒子の注入(1)、拡散(2)、種の放出(3)を示す図。画像はBeilstein J Nanotechnolより。 2012;3:597-619.
ナノスケールの 3D 構造は、監視、コンピューター処理、エネルギー研究に新たなアプローチを提供します。 FEBID に加えて、機能的なアプリケーションを備えた他の 3D ナノファブリケーション方法もあります。ペンシルベニア州立大学は二光子重合法でLEDを製造し、シンガポール工科デザイン大学は多光子リソグラフィーによる偽造防止装置を開発しました。

超音速ジェットを使用したナノ 3D プリントの加速

FEBID の主な制限は製造時間が長いことであり、これがナノデバイスの大量生産を制限しています。この障害を克服するために、研究者たちは基板温度を上げずに堆積速度を上げる方法を模索しました。

前駆分子を活性化するために、研究チームは直径が数マイクロメートルのマイクロキャピラリーインジェクターを発明した。堆積真空チャンバーに入ると、エジェクターがガス分子の小さなジェットを導入し、超音速まで加速されます。基板上に吸着された前駆体分子は、超音速ジェットからのエネルギーによって励起されます。この活性化状態では、ビームからの電子間の化学結合がより簡単に切断されます。その結果、ナノ 3D 印刷プロセスが加速されます。

「分子運動や反応速度など、こうしたスピードアップはすべて指数関数的だ」とジョージア工科大学機械工学部のジョージ・W・ウッドラフ教授、アンドレイ・フェドロフ氏は説明する。


超音速ガスジェットが真空中で膨張し、基板に衝突し、励起された吸着前駆体からの材料堆積が加速されます。 画像はジョージア工科大学より。
非平衡吸着条件下での迅速な3次元ナノ加工

研究者たちは、この技術を活用して、基礎となる物理学を理解したいと考えています。 この 3D ナノファブリケーション技術に関する理論を開発することで、誘導自己組織化、エピタキシャル成長などの他の分野への拡張に役立ちます。

吸着原子(アダトムの略)の温度は、その熱力学的状態を乱さずに直接測定することはできません。 そこで研究チームは、超音速マイクロジェットのガス衝撃を制御するために、吸収有効温度と表面温度を予測するナノスケールの温度計モデルを開発しました。


非平衡吸着状態と迅速な 3D ナノファブリケーション。画像はジョージア工科大学より。
このモデルは、表面に吸着した分子内のフリーラジカルの熱不均衡の新しい状態を発見しました。この独特な熱状態により、励起された吸着原子の急速な表面拡散が可能になり、基板の表面温度を変えずに成長速度が向上します。吸着原子の有効温度を制御することで、表面拡散速度を制御することができます。

超音速ジェット3Dナノマシニングの応用

研究者たちは、彼らの理論が付加的ナノ製造や新しいナノ材料の新たな応用につながる可能性があると信じている。 「付加的な直接書き込みを採用できれば、磁気メモリ、超伝導材料、量子デバイス、3D電子回路など、多くの独自の機能を実現できる可能性がある」とフェドロフ氏は語った。 「これらの構造物を伝統的な方法で作るのは非常に困難です。」


FEBID システムの堆積印刷チャンバー内に取り付けられた加熱毛細管マイクロノズルと、グラフェン相互接続の堆積物の電気的特性評価用のテスト チップ。 画像はジョージア工科大学より。
研究者らは今後の研究で、高エネルギー希ガスと前駆ガスを含むハイブリッドジェットを使用する予定だ。
ハイブリッド ジェッティングは、3D ナノファブリケーションを大幅に加速するだけでなく、3D プリント中の材料組成の正確な制御も可能にします。 これにより、既存のナノ加工技術の範囲を超えた位相とトポロジーを持つナノ構造の形成が可能になります。

「非平衡原子熱状態が急速な付加的ナノ製造を可能にする」という論文が、Journal of Physical Chemistry and Chemical Physics にオンラインで掲載されました。 Matthew R. Henry、Songkil Kim、Andrei G. Fedorov が共同執筆しました。

出典: 3dprintingindustry


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