原子尺度的3D雕刻可以改进量子纳米器件

通过改变紧密聚焦电子束的能量和剂量，佐治亚理工学院的研究人员已经证明了在二维氧化石墨烯层上蚀刻和沉积高分辨率纳米级图案的能力。3D加/减“雕刻”可以在不改变电子束沉积室的化学性质的情况下完成，为构建新一代纳米级结构提供了基础。

基于聚焦电子束诱导处理(FEBID)技术，这项工作可以生产在量子通信、传感和其他应用中有用的2D/3D复杂纳米结构和功能纳米器件。对于含氧材料，如氧化石墨烯，蚀刻可以在不引入外部材料的情况下，使用基板中的氧气进行。

佐治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院Rae S.和Frank H. Neely教授Andrei Fedorov说:“通过定时和调整电子束的能量，我们可以激活电子束与氧化石墨烯中的氧气的相互作用来进行蚀刻，或者与表面的碳氢化合物相互作用来产生碳沉积。”“通过原子尺度的控制，我们可以使用直接写-删除过程来生成复杂的图案。量子系统需要在原子尺度上进行精确控制，这可能会实现许多潜在的应用。”

纳米结构的创建传统上是使用光刻胶涂层和光束或电子束光刻的多步骤工艺完成的，然后是大量干/湿蚀刻或沉积。该工艺的使用限制了可实现的功能和结构拓扑的范围，增加了复杂性和成本，并有可能受到多个化学步骤的污染，为用敏感的2D材料制造新型器件制造障碍。

FEBIP实现了材料化学/特定位置的高分辨率多模原子尺度处理，并为具有原位成像能力的2D纳米材料的“直接写入”单步表面图案化提供了前所未有的机会。它允许实现快速多尺度/多模式“自上而下和自下而上”的方法，范围从原子尺度的操作到纳米和微观尺度上的大面积表面修饰。

费多罗夫说:“通过调整电子的时间和能量，你既可以移除物质，也可以添加物质。”“我们没有想到，当氧化石墨烯被电子暴露时，我们会开始蚀刻图案。”

对于氧化石墨烯，电子束将原子尺度的扰动引入到2d排列的碳原子中，并使用嵌入的氧气作为蚀刻剂，以精确的模式去除碳原子，而无需将材料引入反应室。费多罗夫说，任何含氧物质都可能产生同样的效果。“这就像氧化石墨烯自带腐蚀剂一样，”他说。“激活它所需要的只是用适当能量的电子‘播种’反应。”

为了添加碳，让电子束长时间聚焦在同一点上，通过电子束与基底的相互作用，产生多余的低能电子，将碳氢化合物分子分解到氧化石墨烯表面。在这种情况下，电子与碳氢化合物而不是石墨烯和氧原子相互作用，留下被解放的碳原子作为3D沉积物。

“取决于你给它带来多少电子，你可以生长出不同高度的结构，远离蚀刻槽或二维平面，”他说。“你可以把它想象成由激发电子、衬底和吸附分子在正确的时间和地点结合而成的全息书写。”

这种工艺应该适用于金属和半导体等材料的沉积，不过需要将前体添加到腔室中才能产生它们。这种3D结构只有纳米高，可以作为石墨烯层之间的间隔物，也可以作为石墨烯层上的主动传感元件或其他设备。

“如果你想将石墨烯或氧化石墨烯用于量子力学设备，你应该能够在单个碳原子的尺度上对材料层进行分离，”Fedorov说。“该工艺也可以用于其他材料。”

利用这项技术，高能电子束可以产生只有几纳米宽的特征尺寸。通过引入含有前驱体的金属原子来填充表面蚀刻的沟槽。

除了简单的模式，这个过程还可以用来生长复杂的结构。费多罗夫说:“原则上，你可以种植一个像纳米级埃菲尔铁塔那样的结构，拥有所有复杂的细节。”“这需要很长时间，但这是电子束写作所能达到的控制水平。”

尽管已经建立了平行使用多个电子束的系统，但费多罗夫并不认为它们会被用于大容量应用。他说，更有可能的是，实验室用于制造用于研究目的的独特结构。

他说:“我们正在展示原本不可能生产的结构。”“我们希望能够开发量子设备等领域的新功能。这项技术可以为石墨烯和其他有趣的材料带来有趣的新物理学提供想象力。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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