快速、廉价的纳米制造

路易斯·费尔南多Velásquez-García麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的小组开发了密集的微型锥阵列，利用静电力喷射离子流。

该技术具有一系列有前景的应用:在纳米级机械设备上沉积或蚀刻特征;纺丝纳米纤维用于水过滤器、防弹衣和“智能”纺织品;或者拳头大小的“纳米卫星”推进系统。

在最新一期的IEEE微机电系统杂志， Velásquez-García，他的研究生Eric Heubel和Philip Ponce de Leon，以及他团队的博士后Frances Hill描述了一种新的原型阵列，每个发射器产生的离子电流是以前阵列的10倍。

离子电流是一种测量移动离子所携带电荷的方法，它直接转化为粒子喷射的速率。因此，更高的电流可以保证更高效的制造和更灵活的卫星。

同样的原型还在一个只有一平方厘米的芯片上塞了1900个发射器，即使是最好的前辈，阵列尺寸和发射器密度也增加了四倍。

MTL首席研究科学家Velásquez-García表示:“这是一个受益于组件小型化的领域，因为缩小发射器意味着更低的功耗，更低的偏置电压来操作它们，以及更高的吞吐量。”“我们一直在解决的问题是如何使这些设备尽可能接近理论极限，以及如何通过多路复用大大提高吞吐量，使大量并行设备统一运行。”

Velásquez-García谈到“理论极限”时，他指的是液滴(分子团)开始从发射器流出的点，而不是离子(单个分子)。除其他问题外，液滴更重，因此它们的喷射速度较低，这使得它们在蚀刻或卫星推进方面不太有用。

Velásquez-García的原型喷射出的离子是由室温下液态的离子盐产生的。表面张力使流体沿发射器一侧向上移动到锥尖，锥尖的狭窄集中了静电场。在顶端，液体被电离，理想情况下，每次喷射一个分子。

减缓流动

当发射器中的离子电流足够高时，液滴的形成是不可避免的。但是早期的发射器阵列——由Velásquez-García的小组和其他人建造的——远远达不到这个阈值。

增加阵列的离子电流是通过调节离子盐在发射器两侧的流动来实现的。为了做到这一点，麻省理工学院的研究人员之前使用了黑硅，一种生长成紧密排列的刚毛的硅。但在新的研究中，他们转而使用碳纳米管——原子厚的碳片卷成圆柱体——在发射器的斜坡上生长，就像山坡上的树木一样。

通过仔细调整纳米管的密度和高度，研究人员能够实现一种流体流动，使操作离子电流非常接近理论极限。

Velásquez-García说:“我们还表明，它们的作用是一致的——每个排放者都在做完全相同的事情。”这对于纳米制造应用来说是至关重要的，在这种应用中，蚀刻的深度或沉积的高度必须在整个芯片上保持一致。

为了控制纳米管的生长，研究人员首先在发射器阵列上覆盖了一层超薄的催化剂薄膜，通过与基底和环境的化学反应将其分解成颗粒。然后他们将阵列暴露在富含碳的等离子体中。纳米管在催化剂颗粒下生长，直到催化剂降解。

增加发射器密度——新论文中报告的另一项改进——是优化现有制造“配方”的问题，Velásquez-García说。像大多数纳米级硅器件一样，这些发射器是通过光刻技术生产的，在光刻工艺中，图案被光学转移到沉积在硅晶片上的材料层上;然后等离子体根据图案将材料蚀刻掉。Velásquez-García网站称:“配方包括气体、功率、压力水平、时间和蚀刻的顺序。”“15年前，我们开始做电喷雾阵列，制造不同一代的设备让我们知道如何让它们变得更好。”

Nanoprinting

Velásquez-García认为，使用发射器件阵列来生产纳米器件比光刻技术(生产阵列本身的技术)有几个优势。因为它们可以在室温下工作，不需要真空室，这些阵列可以沉积无法承受许多微纳米制造过程的极端条件的材料。而且它们可以省去沉积新材料层、将其暴露在光学图案中、蚀刻它们、然后重新开始的耗时过程。

Velásquez-García表示:“在我看来，最好的纳米系统将由3d打印完成，因为它将绕过标准微加工的问题。”“它使用昂贵的设备，需要高水平的培训才能操作，一切都在飞机上确定。在许多应用中，你想要三维:3d打印将在我们可以组合的系统类型和我们可以做的优化方面产生很大的不同。”

麻省理工学院

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