通过使用一种微小的、高能的惰性气体超音速射流来激发前驱体分子，研究人员极大地加快了纳米尺度结构的制造。快速增材制造技术也使他们能够生产高纵横比的结构。现在，一种描述这一技术的理论可以应用于添加剂纳米制造和新型纳米材料。

基于聚焦电子束沉积技术，该技术允许用气相前驱体以接近液相的速率制造结构，而不需要提高基板的温度。这可能导致纳米尺度结构的制造速度，使它们能够实际应用于磁性存储器、高频天线、量子通信设备、自旋电子学和原子尺度谐振器。

乔治亚理工学院乔治w伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering at the Georgia Institute of Technology)教授安德烈费多罗夫(Andrei Fedorov)说，“我们正在控制原子尺度上的物质，以带来加法制造的新模式。”“这项新科学可能带来加法制造的应用，否则是不可能的。由此产生的新技术将为原子级的增材制造开辟新的维度。”

这项工作来自于尝试用电子束创造小结构的失败，电子束的直径只有几纳米。这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持，并于5月28日发表在《物理化学化学物理》杂志上。

“当我们进入实验室使用聚焦电子束的纳米制造技术时，只有几纳米大小的电子束，我们无法培育出只有几纳米大小的结构。它们长到50或100纳米，”费多罗夫解释说。“制造这种结构也花了很长时间，这意味着，如果没有改进，我们永远无法大批量生产。”

Fedorov和他的合作者Matthew Henry和Songkil Kim意识到产生这种结构的反应是缓慢的，并且与生长它们的基质的热力学状态有关。他们决定在这一过程中增加一些能量来加快速度——速度可达原来的100倍。

其结果是发明了一种直径只有几微米的微型毛细管喷射器，它可以将微小的气体分子射流引入沉积室，激活纳米尺度结构的前驱体。部分原因是由于射流进入真空室，气体加速到超音速。来自超音速射流的能量激发了吸附到底物上的前驱体分子。

费多罗夫说:“这种高能量的热态使电子束中的电子更容易打破化学键，因此，结构生长得更快。”“所有这些放大，包括分子输运和反应速度，都是指数级的，这意味着一个小的变化可以导致结果的显著增加。”

这些都是通过实验观察到的，但为了了解如何控制这一过程并扩大其应用，研究人员想要为他们所看到的创造一种理论。他们使用纳米尺度的测温技术来测量受射流作用的吸附原子(也称为adatom)的温度，并利用这些信息帮助理解正在工作的基本物理原理。

费多罗夫说:“一旦我们有了一个模型，它本质上就变成了一个设计工具。”“有了这种理解和我们已经证明的能力，我们可以把它们扩展到其他领域，如定向自组装、外延生长和其他领域。这将使许多新功能能够使用这种直接写入的纳米制造技术。”

该模型的开发和对其背后的第一性原理物理学的理解也可以让其他研究人员发现新的应用。

“你可以有几乎相同的数量级增长速度随着你与液相前驱,但仍获得丰富的可能的前兆,操纵合金化的能力,和所有的经验,开发了多年来与气相沉积、“Fedorov说。“这项技术将使我们能够以一种从实用角度看有意义且具有成本效益的规模来做事情。”

快速生产小型三维结构的能力可以开辟一系列新的应用领域。

他说:“如果你能采用加法直接写入技术，这将为磁性存储器、超导材料、量子器件、3D电子线路以及其他许多领域带来许多独特的功能。”“目前使用传统方法很难制造出这些结构。”

除了利用射流加速已沉积在基板上的前驱体材料，研究人员还创造了混合射流，其中包含高能惰性气体和前驱体气体，这不仅可以大幅加速纳米结构的生长，而且可以在生长过程中精确控制材料的组成。在未来的工作中，研究人员计划使用这些混合方法来形成任何现有纳米制造技术都无法实现的具有相位和拓扑结构的纳米结构。

该研究由美国能源部、科学办公室、基础能源科学(BES)资助，授予编号为DE-SC0010729的奖项。