新技术可实现快速和廉价的纳米制造

左侧是致密的电喷雾发射器（1厘米广场1,900分发器）。在右边是单个发射器的特写镜头，由碳纳米管森林覆盖。图像：MicreloctoMence Systems / MIT新闻

来自MIT细节的新出版的研究，喷射电离材料的微小锥形尖端阵列可以便宜地制造纳米级装置。

Luis FernandoVelásquez-garcía在麻省理工学院的MicroSystems技术实验室（MTL）的组开发了致密的微观锥体阵列，其利用静电力来喷射离子流。

该技术具有一系列前途的应用：将功能沉积或蚀刻到纳米级机械装置上;旋转纳米纤维用于水过滤器，身体铠装和“智能”纺织品;或拳头大小的“纳米替肽”的推进系统。

在最新问题的IEEE微电机电系统杂志中，他的研究生Eric Heubel和Philip Ponce de Leon和Frances Hill，他的团队中的博士山，描述了一种新的原型阵列，可以产生10次离子电流的10倍以前的数组做出了发射器。

离子电流是移动离子携带的电荷的量度，其直接转化为可以喷射颗粒的速率。因此，更高的电流承诺提供更高效的制造和更多灵活的卫星。

与芯片的芯片相同的原型也是相同的原型，该芯片仅是厘米正方形，阵列大小和甚至最好的前辈的发射极密度。

“这是一个益处小型化组件的领域，因为缩放发射器意味着更少的功耗，较少的偏置电压来操作它们，吞吐量更高，”MTL主要研究科学家Velásquez-garcíaMelásquez-garcía说。“我们解决的话题是我们如何使这些设备尽可能接近地运作，因为我们可以通过多路复用凭借多路复用来大大提高吞吐量，具有均匀运行的大规模并行设备。”

当Velásquez-garcía谈到“理论极限”时，他谈论了液滴 - 分子团块的点 - 而不是离子 - inpidual分子 - 开始流出发射器。在其他问题之外，液滴更重，因此它们的喷射速度较低，这使得它们对蚀刻或卫星推进来说不太有用。

Velásquez-garcía的原型喷射的离子由在室温下的液体的离子盐制成。表面张力将流体朝向发射器的侧面芯，其狭窄浓缩静电场。在尖端，液体是电离的，理想地，一次喷射一个分子。

慢流动

当发射器中的离子电流足够高时，液滴形成是不可避免的。但早期的发射极阵列 - 由Velásquez-garcía的团体和其他人建造的那些 - 很短的阈值。

增加阵列的离子电流是调节离子盐的流量的发射侧面的流量。为此，麻省理工学院研究人员以前使用过黑色硅，一种硅片形式，如紧密包装的刷毛。但在新的工作中，它们相反，它们使用碳纳米管 - 轧制成圆柱的原子厚的碳 - 在山腰上的山坡上生长在发射器的斜坡上。

通过仔细定制纳米管的密度和高度，研究人员能够实现流体流动，该流体流动使操作离子电流在非常接近理论极限。

“我们还表明他们均匀地工作 - 每个发射器正在做同样的事情，”Velásquez-garcía说。这对于纳米制造应用至关重要，其中蚀刻的深度或沉积物的高度必须在整个芯片上一致。

为了控制纳米管的生长，研究人员首先用超薄催化剂膜覆盖发射极阵列，其通过与基材和环境的化学反应分解成颗粒。然后它们将阵列暴露于富含碳的血浆。纳米管在催化剂颗粒下延长，直至催化剂降解。

越来越多的发射极密度 - 新论文报告的其他改进 - 是优化现有制造“食谱”的问题，Velásquez-garcía说。像大多数纳米级硅装置一样的发射器是通过光刻制造的，该方法是将图案光学转移到沉积在硅晶片上的材料层的过程中;然后，等离子体根据图案蚀刻材料。“食谱是气体，动力，压力水平，时间和蚀刻顺序，”Velásquez-garcía说。“我们开始在15年前进行电喷雾阵列，并制作不同的代代设备给了我们了解如何让他们更好。”

纳蒙丁

Velásquez-garcía认为，使用发射器阵列生产纳米型图案可以在光刻术中具有几个优点 - 这些技术产生阵列本身。由于它们可以在室温下运行并且不需要真空室，因此阵列可以存放无法承受许多微型和纳米制造过程的极端条件的材料。他们可以消除沉积新材料层的耗时过程，将它们暴露于光学图案，蚀刻它们，然后再次开始。

“在我看来，最好的纳米系统将通过3-D打印来完成，因为它将绕过标准微制造问题，”Velásquez-garcía说。“它使用了昂贵的设备，这需要高水平的培训来运行，并且所有内容都在平面中定义。在许多应用中，您想要三维：3-D印刷将在我们可以放在一起的系统种类和我们能做的优化的影响。“

“通常，这种类型的发射器的兴趣是能够发出一束离子而不是漏洞，”ÉcoleGoleChniqueFédédédéraledauusanne的空间技术实验室微系统副教授Herbert Shea说。“使用他们的纳米管林，它们能够在纯离子模式下使设备运行，但具有通常与液滴模式相关的高电流。”

Shea认为，至少在短期内，该技术最有前途的应用是在航天器推进中。“将其进入一个实用的微机动工具，将其作为小型航天器的推进需要很少努力，以至于将其用作小型航天器。”“你想要在离子模式中的原因是使推进剂的质量最有效地转换为航天器的势头。”

出版物：Hill，F.a，等，“高通量离子液体离子源，使用微制造电喷射器的阵列，具有集成的提取器电网和碳纳米管流量控制结构，”2014年微电机电系统“; DOI：10.1109 / JMEMS.2014.2320509

图像：MicreloctoMence Systems / MIT新闻