在极小的尺度上创建复杂结构一直是工程师们面临的挑战。但佐治亚理工学院的一项新研究表明，已广泛应用于成像和制造的电子束，也可以作为超精密工具，用于雕刻和构建铜等材料的结构。

乔治·W·伍德拉夫机械工程学院安德烈·费奥多罗夫教授的研究小组发现了一种技术，该技术利用液体环境中的聚焦电子束去除或沉积铜，完全取决于周围的化学性质。

通过调整溶液中的氨含量，研究人员能够控制光束是蚀刻掉材料还是沉积材料，从而有效地实现原子水平的 3D 雕刻。

电子束方法通常用于去除材料或添加材料，但不能同时进行。在本研究中，研究人员开发了一种工艺，可以使用相同的设置依次完成其中一项或两项操作。

在实验中，他们将电子束聚焦在浸没在水氨溶液中的铜上。在低氨浓度下，电子束蚀刻出的沟槽仅深 50 纳米，大约比一张纸薄 2000 倍。

随着时间的推移，蚀刻过程中去除的铜原子开始重新沉积在沟槽内，形成微小的垂直结构，如同谷内有峰。通过控制电子的曝光时间和撞击材料的电子数量，可以创建更小或更大尺寸的图案和结构。

当团队增加氨浓度时，化学性质发生了变化。环境变得更具还原性，这有利于铜的积累而不是去除。在这种情况下，电子束充当了引导的作用，引导铜沉积的位置，形成复杂的纳米结构。

这种精确控制的关键在于氨在液体溶液中的作用。

“氨有几个重要作用。它有助于在溶液中携带铜原子，中和不必要的反应，并使环境更有利于建筑而不是蚀刻，”该研究的主要作者、伍德拉夫学院的博士生奥韦斯·艾哈迈德（Auwais Ahmed）说。

通过精心调节氨浓度和电子束照射，研究团队能够以纳米级精度微调铜表面的形状和结构。他们还开发了模型并进行了模拟，以更好地理解这些化学变化如何影响铜的行为。

“令人兴奋的是，我们不只是建造或拆除——我们还在实时动态地切换这些模式，”费多罗夫说。

在原子层面上雕刻表面的能力对未来技术有着深远的影响。这种新方法可以用来制造超灵敏的科学工具，例如微型探针和传感器、用于靶向药物或基因递送的纳米级针头，以及下一代计算机芯片中的三维堆叠布线。

而且由于该方法在化学上是可调的，它最终可以应用于铜以外的其他材料。

艾哈迈德说：“这为我们提供了一种灵活的纳米级制造新工具。”

“通过控制局部化学反应，我们基本上可以同时进行 3D 打印和减法——为纳米技术的设计和制造开辟了新的可能性。”