原子爆炸创造了新的测量纳米粒子的装置

像喷砂在纳米尺度下，离子聚焦光束消融坚硬的材料形成复杂的三维模式。光束在横向尺寸和宽度上都能产生微小的特征，但要产生下一代纳米尺度器件，高能离子必须精确控制垂直方向上的特征。现在，国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员已经证明，一种标准的离子束技术可以被微调，以使深度结构控制在单个硅原子的直径内。

NIST的研究小组利用这种新发现的精确性，使用这种标准的机械加工技术制造出能够精确测量液体中纳米颗粒大小的装置。纳流控设备，具有大批量生产的潜力，可以成为确定颗粒尺寸的一个新的实验室标准。这样的测量可以加快纳米颗粒在工业应用中的质量控制。

“我们已经测试和先进的什么是可能使测量下一纳米，”NIST研究员Samuel Stavis说。他和他的同事从NIST和在马里兰大学的校园里兰州纳米重心资助（链接外部）报道他们在最近一期的芯片上的实验室研究。

尽管工程师们多年来一直在利用离子束来修复集成电路和光学系统和机械系统中的微小零件的缺陷，但这些应用程序并不需要深度控制。

为了实现这一过程的全部潜力，研究小组探索了几种利用镓离子的聚焦光束来研磨硅、氮化硅和二氧化硅材料表面的方法，这些材料用于制造电子、光学和力学中的纳米级器件。研究人员使用了原子力显微镜，它具有一个灵敏的探针来测量离子束形成的地形的深度。仔细测量对于测试离子束技术的极限是很重要的。NIST的设施使该团队承担精密制造和精密测量这两项任务。

该小组应用新的能力来改进纳米颗粒尺寸的测量。研究人员利用镓离子束在二氧化硅中加工阶梯状图案，然后将其封闭起来控制纳米尺度下的流体流动。在一些装置中，研究人员加工了一个台阶大小为1.1纳米的楼梯；他们加工了其他尺寸只有0.6纳米的台阶。

荧光纳米颗粒的大小在一个单独的纳米加工与纳米级精度的楼梯。

楼梯模式的步骤精确地将纳米颗粒按照其大小浸入水中。纳米颗粒进入最深的步骤在楼梯的底部，但只有较小的可以提升到最浅的走在上面；大颗粒无法通过，仍被困在套台阶。纳米颗粒内的荧光染料使研究小组能够用光学显微镜记录其位置，并将该位置与已知的楼梯深度相匹配。

用这种方法所测得的纳米颗粒尺寸与用电子显微镜测量的尺寸进行比较，发现在一个纳米范围内精确匹配。不同测量结果的良好一致性表明，这些装置不仅可以作为颗粒分离器，而且可以作为测量纳米颗粒大小的参考材料。

经常对纳米颗粒进行质量控制的制造商不仅要确定它们的平均尺寸，而且要知道这些纳米颗粒的体积有多小或比平均数大，这可能得益于这项新技术。新制造的设备，结合精确的位置的一种廉价的纳米颗粒的光学显微镜，提供了一个潜在的更快和更经济的路线比其他测量技术，Stavis指出。该小组目前正在调查这些设备如何作为大规模廉价复制品的主模具。

由于纳米颗粒是用光学显微镜测量的，NIST的研究小组还可以探索纳米颗粒大小与另一个关键特性——亮度的关系。澄清这种关系对于理解这种纳米颗粒的性质，如用于彩色显示器的量子点，生物医学传感器的金纳米颗粒，以及用于药物递送的纳米颗粒都有重要意义。

该小组详细介绍了他们的过程，使NIST的研究人员可以很容易地利用和适应他们自己的工作过程。NIST的纳米技术用户设施（纳米科学与技术中心）的几位客户表示，他们有兴趣调整这些消费品中纳米颗粒大小和亮度的技术。