Ученые научились создавать наноструктуры из меди с помощью электронного луча

Создание сложных структур на наноуровне долгое время оставалось сложной задачей для инженеров. Однако новое исследование Технологического института Джорджии демонстрирует, как электронные лучи, уже широко используемые в визуализации и производстве, могут стать сверхточными инструментами для «резьбы» и «строительства» структур из таких материалов, как медь.

Группа профессора Андрея Федорова из Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа обнаружила технику, которая использует сфокусированные электронные лучи в жидкой среде для удаления или осаждения меди — в зависимости от химического состава раствора.

Регулируя количество аммиака в растворе, исследователи смогли контролировать, будет ли луч вытравливать материал или осаждать его, фактически позволяя создавать 3D-структуры на атомном уровне.

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Двусторонний процесс

Обычно методы с использованием электронного луча применяются либо для удаления материала, либо для его добавления, но не для обоих процессов одновременно. В данном исследовании ученые разработали метод, позволяющий делать и то, и другое, а также чередовать эти процессы с помощью одной установки.

В экспериментах они фокусировали электронный луч на меди, погруженной в водно-аммиачный раствор. При низкой концентрации аммиака луч вытравливал узкие канавки глубиной всего 50 нанометров — примерно в 2000 раз тоньше листа бумаги.

Со временем атомы меди, удаленные в процессе травления, начинали повторно осаждаться внутри канавок, образуя крошечные вертикальные структуры, напоминающие пики внутри долин. Контролируя время воздействия электронов и их количество, можно было создавать узоры и структуры разного размера.

Аммиак как переключатель

Ключ к такому точному контролю кроется в роли аммиака в растворе.

«Аммиак выполняет несколько важных функций. Он помогает переносить атомы меди в растворе, нейтрализует нежелательные реакции и делает среду более благоприятной для строительства, а не для травления», — объяснил Ауваис Ахмед, ведущий автор исследования и аспирант Школы Вудраффа.

Тщательно регулируя концентрацию аммиака и воздействие электронного луча, команда смогла точно настроить форму и структуру медной поверхности с нанометровой точностью. Они также разработали модели и провели симуляции, чтобы лучше понять, как эти химические изменения влияют на поведение меди.

«Самое захватывающее — это то, что мы не просто строим или удаляем, а динамически переключаемся между этими режимами в реальном времени», — отметил Федоров.

Микроинструменты для большого прогресса

Возможность создавать структуры на атомном уровне имеет широкие перспективы для будущих технологий. Этот новый метод может быть использован для создания сверхчувствительных научных инструментов, таких как микроскопические зонды и сенсоры, наноиглы для целевой доставки лекарств или генов, а также 3D-структурированной проводки в чипах следующего поколения.

Поскольку подход химически настраиваем, в будущем его можно будет применять и к другим материалам, помимо меди.

«Это дает нам гибкий новый инструмент для нанопроизводства», — сказал Ахмед. «Контролируя локальную химию, мы можем одновременно "печатать" и "вычитать" в 3D, открывая новые возможности для проектирования и производства в нанотехнологиях».

Дополнительная информация: Auwais Ahmed et al, Peak‐in‐Valley Metal Nano‐Architectures via E‐Beam‐Guided Metal Oxide Redox, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202514610

Источник: Georgia Institute of Technology