用金属墨水来书写神奇！

材料牛注：纳米尺度的图案化对电子器件的制成至关重要，其纳米制造方法主要是纳米光刻法。目前，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家发现了一种在液体中书写图案的方法，这到底是如何实现的呢？让我们来一探究竟吧！

近日，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家，首次利用扫描式投射显微镜直接在金属“墨水”中书写图案，且图案宽度还不到人头发丝的一半。

自动化过程的控制是将STEM设备中电子束聚焦到充满液体的区域，使金属沉积在硅微芯片来实现的，沉积得到的图案尺寸是“纳米级别”，或是原子、分子级别。

通常来说，纳米图案化的制备需要应用光刻技术，即采用抗蚀剂对其他区域进行保护。而橡树岭国家实验室这一直接书写的新技术与光刻技术的区别在于，不需要抗蚀剂。

关于这一技术的更多性能细节发表于英国皇家化学学会的杂志--Nanoscale上，研究人员近期正在申请专利。这一技术将为定制的电子设备和其他应用的制备提供一种新的思路和方法。

文章的第一作者，美国能源部橡树岭国家实验室纳米材料科学中心的Raymond Unocic说道：“我们可以在特定位置通过沉积高纯的金属来量身定做材料的性能要求，我们还可以定制体系的结构和化学组成，但是这仅仅限于在液体中可溶解的，且能够发生化学反应的体系。”

实验采用的是绘图图像来处理纳米模板，然后将电子束射入含有氯化钯溶液的区域中，电子束通过的区域将会有纯钯分离出来并沉积。

液体环境对化学来说是必不可少的。研究人员首先需要找到一种方法来封装液体，以确保显微镜内的真空吸尘器极端干燥，不会将液体蒸发。研究人员开始用氮化硅膜作为通过该电子束可通过的一个窗口，制成微芯片的区域。

然后，研究人员需要从STEM仪器中引出新功能。Unocic说道：“利用成像和光谱显微镜，来实现对特定地点的纳米化学反应的控制。与其电子束光刻技术一样，可通过接口的显微镜方式来控制光束，但是这与扫描透射电子显微镜像差校正的设置的方式不一样。”

Stephen Jesse是纳米材料科学中心的定向纳米转变小组的领导者，这一小组旨在研究科学家们用以观察和理解事物及其纳米性质的工具，并探讨这些工具能否通过原子变换来构建特定的功能结构。Jesse说道：“我们现在做的是纳米级的实验工作，这意味着我们能够随意地引发和停止反应，也可实时监督正在发生的反应。”

Jesse最近开发了一种作为纳米光刻图案与STEM扫描线圈之间接口的系统，而且橡树岭国家实验室的研究人员已经用它来有选择性地转变固体。显微镜将电子束聚焦成一个细点，可以通过控制扫描线圈的移动来实现。Unocic和Andrew Lupini、Albina Borisevich以及Sergei Kalinin integrated完善了Jesse设计的显微镜扫描控制/纳米光刻系统，以便能够控制光束进入液体区域。David Cullen随后对其进行了化学分析。

Jesse说道：“电子束诱导纳米光刻很大程度上依赖于高能电子束对纳米尺度上的化学反应的控制。”系统控制电子束的位置、速度和剂量，进入系统电子的量决定了化学转变过程的快慢。

这一纳米技术与大规模的活动相类似，比如橡树岭国家实验室的生产管理部门使用电子束来生产3D打印用材料。在这种情况下，电子束先把粉末熔化，而后发生凝固，一层一层地来生产一个部件。

Unocic说道：“其实我们根本上是在做相同的事，但是我们是在液体中进行。现在，我们可从液相的先驱体溶液中合成我们预期的结构及化学性质，通过调整其理化性质来达到特定应用的要求。”

对光束位置和电子剂量的精确控制能构建不同的结构。封装液体的不同，在随后的图案化过程中也将发生不同的化学反应。

目前液体油墨中金属的像素可以直接写为40纳米，是流感病毒宽度的两倍。在今后的工作中，Unocic及其同事将致力于使其分辨率降至10纳米，接近传统的纳米光刻技术的状态。他们也想制造出多组分结构。

原文链接：Electron beam microscope directly writes nanoscale features in liquid with metal ink。

文献链接：Direct-write liquid phase transformations with a scanning transmission electron microscope。

本文由编辑部丁菲菲提供素材，黄敏编译，点我加入材料人编辑部。