研究人员扫描透射电镜“雕”出精细三维结构

最近，美国能源部橡树岭国家实验室研究人员开发出一种独特的、制作三维结构的方法，用扫描透射电子显微镜发出的电子束做“雕刻刀”，做出的三维结构不仅有精细可控的形状，而且大小只有几纳米。相关研究结果发表在《Small》杂志上。

雕刻结构以一种完美的、晶体排列的形式向外生长而成，保证了整个材料有着一致的电子和机械性质。由于雕刻品的精细程度达到单个原子水平，这一技术在制作微芯片等功能性纳米设备方面极为有用。该研究负责人阿尔宾娜·玻利谢维奇说，这种方法能让他们以更高精度做出更小的结构，更主动地控制材料性质。

据报道，研究人员发现这一方法纯属偶然。当时他们正在观察一片有瑕疵的钛酸锶薄膜，样本底层是晶体态，上层是非晶体态。当电子束穿过时，材料发生了变形。玻利谢维奇说：“当我们把非晶体层放在电子束下时，好像促进它向更完美的结晶态衍化，电子束确实起了这种作用。”

利用扫描透射电子显微镜，射出电子束通过一块材料，这有点像光刻技术，但光刻只是改变材料的表面。而用精确控制的电子束，“我们能深入块状材料内部改变其结构，就像在一座山下面挖隧道，或建一栋房子。”该实验室的斯蒂芬·杰西说。

研究人员用超级计算机所做的理论计算和模拟表明，在“雕刻”过程中，电子束把能量转移给了材料中的个别原子，而不是加热材料的某个区域。玻利谢维奇说：“我们用电子束给系统注入了能量，轻微加快了它的衍化，如果不用电子束推进，时间长了它自己也会如此变化。”

新方法为那些研究材料特征与厚度关系的科学家提供了一条捷径。使用该方法不仅可给厚度变化不均的样本成像，还能给样本增加厚度，同时观察发生的情况。在纳米科学中，缩小材料有时会让它们表现出与大块材料不同的性质，而新方法能控制这一点，让研究人员确定在哪下手，怎样弯曲材料。