Эта технология имеет ряд многообещающих применений: нанесение или травление деталей на наноразмерные механические устройства; производство нановолокон для использования в фильтрах для воды, бронежилетах и «умных» тканях; или двигательные установки для «наноспутников» размером с кулак.В последнем выпуске журнала IEEE Journal of Microelectromechanical Systems Веласкес-Гарсиа, его аспиранты Эрик Хьюбель и Филип Понсе де Леон, а также Фрэнсис Хилл, постдок в его группе, описывают новый массив прототипов, который генерирует в 10 раз больший ионный ток на человека. эмиттер, который делали предыдущие массивы.Ионный ток — это мера заряда, переносимого движущимися ионами, который напрямую влияет на скорость, с которой частицы могут быть выброшены. Таким образом, более высокие токи обещают более эффективное производство и более маневренные спутники.
Тот же прототип также помещает 1900 эмиттеров в микросхему размером всего сантиметр в квадрате, что в четыре раза увеличивает размер массива и плотность эмиттеров даже по сравнению с лучшими из его предшественников.«Это область, которая выигрывает от миниатюризации компонентов, поскольку уменьшение размеров эмиттеров подразумевает меньшее энергопотребление, меньшее напряжение смещения для их работы и более высокую пропускную способность», — говорит Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник MTL. «Мы занимаемся тем, как мы можем заставить эти устройства работать как можно ближе к теоретическому пределу, и как мы можем значительно увеличить пропускную способность за счет мультиплексирования с помощью массивно параллельных устройств, которые работают единообразно».
Когда Веласкес-Гарсиа говорит о «теоретическом пределе», он имеет в виду точку, в которой капли — сгустки молекул — а не ионы — отдельные молекулы — начинают стекать с излучателей. Помимо прочего, капли тяжелее, поэтому их скорость выброса ниже, что делает их менее пригодными для травления или движения спутника.Ионы, выбрасываемые прототипом Веласкеса-Гарсиа, производятся из ионной соли, которая является жидкой при комнатной температуре.
Поверхностное натяжение перемещает жидкость вверх по сторонам излучателей к вершине конуса, узость которого концентрирует электростатическое поле. На наконечнике жидкость ионизируется и, в идеале, выбрасывается по одной молекуле за раз.Замедлить поток
Когда ионный ток в эмиттере становится достаточно высоким, образование капель неизбежно. Но более ранние массивы излучателей — созданные как группой Веласкеса-Гарсии, так и другими — не дотягивали до этого порога.
Увеличение ионного тока массива — это вопрос регулирования потока ионной соли по сторонам эмиттеров. Для этого исследователи Массачусетского технологического института ранее использовали черный кремний, форму кремния, выращенную в виде плотно упакованных щетинок. Но в новой работе они вместо этого использовали углеродные нанотрубки — листы углерода толщиной в атом, свернутые в цилиндры, — выращенные на склонах излучателей, как деревья на склоне горы.Тщательно подбирая плотность и высоту нанотрубок, исследователи смогли добиться потока жидкости, который обеспечил рабочий ионный ток на уровне, очень близком к теоретическому пределу.
«Мы также показываем, что они работают одинаково — что каждый излучатель делает одно и то же», — говорит Веласкес-Гарсия. Это очень важно для приложений нанопроизводства, в которых глубина травления или высота отложений должны быть одинаковыми по всему кристаллу.Чтобы контролировать рост нанотрубок, исследователи сначала покрывают массив эмиттеров ультратонкой пленкой катализатора, которая разбивается на частицы в результате химических реакций как с подложкой, так и с окружающей средой.
Затем они подвергают массив воздействию плазмы, богатой углеродом. Нанотрубки растут под частицами катализатора, которые находятся на них, пока катализатор не разрушится.По словам Веласкеса-Гарсиа, увеличение плотности излучателя — еще одно улучшение, о котором сообщается в новой статье — было вопросом оптимизации существующего производственного «рецепта». Эмиттеры, как и большинство кремниевых наноразмерных устройств, были изготовлены с помощью фотолитографии, процесса, в котором образцы оптически переносятся на слои материалов, нанесенных на кремниевые пластины; затем плазма вытравливает материал в соответствии с рисунком. «Рецепт — это газы, мощность, уровень давления, время и последовательность травления», — говорит Веласкес-Гарсия. «Мы начали создавать системы электрораспыления 15 лет назад, и создание устройств разных поколений дало нам ноу-хау, чтобы сделать их лучше».
НанопечатьВеласкес-Гарсиа считает, что использование массивов излучателей для производства наноустройств может иметь несколько преимуществ по сравнению с фотолитографией — методом, который производит сами массивы. Поскольку они могут работать при комнатной температуре и не требуют вакуумной камеры, массивы могут наносить материалы, которые не выдерживают экстремальных условий многих процессов микро- и нанопроизводства. И они могли исключить трудоемкий процесс нанесения новых слоев материала, экспонирования их оптическим узорам, их травления, а затем повторения всего заново.
«На мой взгляд, лучшие наносистемы будут созданы с помощью трехмерной печати, потому что это позволит обойти проблемы стандартного микротехнологического производства», — говорит Веласкес-Гарсиа. «Он использует чрезмерно дорогое оборудование, которое требует высокого уровня подготовки для работы, и все определяется в плоскости. Во многих приложениях вам нужна трехмерность: трехмерная печать будет иметь большое значение для типов систем. мы можем собрать вместе и оптимизацию, которую мы можем сделать ».