超音速喷射喷射器加速纳米级增材制造

通过使用微小的、高能的惰性气体超音速喷射来激发前驱体分子，研究人员极大地加速了纳米级结构的制造。快速增材制造技术还允许他们生产高纵横比的结构。现在，一种描述该技术的理论可能会导致添加剂纳米制造和新型纳米材料的新应用。

这种快速制造小型3d结构的能力可能会开辟一系列新的应用领域。

佐治亚理工学院乔治·w·伍德拉夫机械工程学院教授安德烈·费多罗夫(Andrei Fedorov)说:“如果你能采用加法直写技术，这将为磁存储器、超导材料、量子器件、3d电子电路以及更多东西带来许多独特的能力。”“目前使用传统方法很难制造出这些结构。”

除了使用喷流加速已经在基底上的前驱体材料的沉积外，研究人员还创造了包含高能惰性气体和前驱体气体的混合喷流，这不仅可以显著加速纳米结构的生长，而且可以在生长过程中精确控制材料的组成。在未来的工作中，研究人员计划使用这些混合方法来形成具有相位和拓扑的纳米结构，这是任何现有的纳米制造技术都无法实现的。

基于聚焦电子束沉积，该技术允许用气相前驱体以接近液相的速度制造结构，而不需要提高基材的温度。这可能会导致纳米级结构的制造速度，使它们能够实际用于磁存储器、高频天线、量子通信设备、自旋电子学和原子级谐振器。

费多罗夫说:“我们正在原子尺度上控制物质，以带来增材制造的新模式。”“这门新科学可能会带来增材制造应用，否则这可能是不可能的。由此产生的新技术将在原子尺度上为增材制造开辟新的维度。”

这项工作源于尝试使用电子束制造小型结构的挫折，电子束的直径可能只有几纳米。

“当我们去实验室使用聚焦电子束的纳米制造时，电子束的大小只有几纳米，我们无法生长只有几纳米的结构。他们成长为50或100纳米，”Fedorov说。“而且生产这种结构也需要很长时间，这意味着，如果没有改进，我们永远无法大批量生产它们。”

Fedorov及其合作者Matthew Henry和Songkil Kim意识到，产生这种结构的反应是缓慢的，并且与生长它们的基底的热力学状态有关。他们决定在这个过程中加入一些能量来加快速度——快100倍之多。

其结果是发明了直径只有几微米的微型毛细管注入器，它可以将微小的气体分子喷射到沉积室中，以激活纳米级结构的前体。部分由于喷射进入真空室，气体加速到超音速。来自超音速喷射的能量激发了吸附在基底上的前体分子。

Fedorov说:“这种高能热态使电子束中的电子更容易打破化学键，因此，结构增长得更快。”“所有这些放大，包括分子传输和反应速率，都是指数级的，这意味着一个小的变化可以导致结果的急剧增加。”

这些已经在实验中观察到，但为了了解如何控制这一过程并扩大其应用范围，研究人员想为他们所看到的创建一个理论。他们使用纳米级测温技术来测量受喷射作用的吸附原子(也称为吸附原子)的温度，并利用这些信息来帮助理解工作中的基本物理学。

“一旦我们有了一个模型，它基本上就变成了一个设计工具，”费多罗夫说。“有了这种理解和我们已经展示的能力，我们可以将其扩展到定向自组装、外延生长和其他领域。这可能会使使用这种直写纳米结构的一系列新功能成为可能。”

模型的发展和对其背后第一性原理物理学的理解也可以让其他研究人员找到新的应用。

Fedorov说:“通过这种方法，你可以获得与液相前驱体几乎相同的数量级增长速度，但仍然可以获得可能的前驱体的丰富性，操纵合金化的能力，以及多年来气相沉积的所有经验。”“这项技术将使我们能够以一种具有实际意义和成本效益的规模做事。”

佐治亚理工大学

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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