2.Атомно-силовая микроскопия
Атомно-силовая микроскопия регистрирует состояние поверхности по изменению силы той или иной природы, возникающие между кончиком зонда и локальной областью на поверхности образца. Это могут ван-дер-ваальсовые, электростатические или магнитные силы.
Игла установлена на конце упругой консольной балочки – кантилевера, которая изгибается под действием силы (рис. 1). Деформация кантилевера (и, следовательно, сила) определяются или по отклонению лазерного луча, или по величине пьезоэлектрического эффекта в самом кантилевере. Этим методом можно исследовать любые объекты, в том числе и не обладающие электропроводностью: диэлектрики, биологические объекты. Типичные размеры кантилевера: длина 10-100 мкм, ширина 3-10 мкм и толщина 0,1-1 мкм. Ультратонкие монокристалические кремниевые кантилеверы толщиной 60 нм могут регистрировать силу, равную ~ 10 -18 Н.
Возможны два режима атомно-силовой микроскопии: контактный, когда игла соприкасается с исследуемой поверхностью (рис. 5 а) и неконтактный (рис. 5 б). В последнем случае регистрируются параметры собственных колебаний кантилевера (резонансная частота, затухание, сдвиг фаз), которые изменяются в зависимости от силы взаимодействия иглы с исследуемой поверхность. Игла располагается в 10-100 Ǻ от поверхности образца.
Рис.5. Контактная (а) и неконтактная (б) моды атомно-силовой микроскопии.
Вариантом зондовой силовой микроскопии является микроскопия, основанная на магнитном взаимодействии (Magnetic Force Microscopy-MFM) Если кончик иглы выполнить из магнитного материала (или покрыть его тонкой магнитной пленкой), кантилевер становится чувствительным к магнитной структуре образца. Интерес к магнитной зондовой микроскопии связан, в первую очередь, с разработкой магнитных носителей информации с очень высокой плотностью записи. Носителями информации могут быть тонкие пленки (в несколько моноатомных слоев) ферромагнетиков (Fe, Co) на поверхность полимера или кремния. Таким образом, можно получить плотность записи ~ 10 Гб/см2 и выше. Принципиальный физический предел для таких устройств записи – это запись с помощью ориентации отдельных спинов электронов.
Использование зондовых методов для создания и изменения нанообъектов
Зондовые микроскопы могут быть использованы не только для исследования нанообъектов с высоким разрешением, но и для создания нанообъектов. Рассмотрим несколько примеров.
а) Создание нанообъектов путем захвата и переноса отдельных атомов. Возможность таких манипуляций атомами была впервые показана в 1991 году. Есть два варианта – «горизонтальный», когда атом перемещается по поверхности образца (Рис.6а), и «вертикальный», когда атом отрывается от поверхности и переносится иглой (Рис. 6б). В туннельном зондовом микроскопе такой отрыв осуществляется путем подбора соответствующего туннельного тока.
Примеры создаваемых нанообъектов показаны на рис.8.
Рис.6. «Горизонтальный» (а) и «вертикальный» (б) способы манипуляции и перемещение атомов по поверхности: 1- игла STM; 2 – намеченный к перемещению атом.
Рис.7.Примеры изображения поверхности, полученные зондовыми сканирующими микроскопами, и нанобъектов, созданных на поверхности образца путем перемещения атомов с помощью зондов: «пляшущий человечек» выложен молекулами монооксида углерода, иероглифы выложены атомами железа на поверхности меди; в нижнем левом углу показаны этапы сборки «квантового загона» для электронов из 48 атомов.
Создание объектов путем конструирования их из отдельных атомов принципиально изменяет технологию изготовления различных деталей и изделий. В настоящее время существует технология «сверху вниз» - от крупных заготовок к изделию путем удаления лишних частей (рис.8). Например, из заготовки вытачивается изделие. Технология такого типа сопровождается отходами и требует больших затрат на их утилизацию. Работа с отдельными атомами и молекулами дает возможность создавать деталь или изделие из этих атомов или молекул – это технология «снизу вверх». Такая технология может быть безотходной, экологически чистой и экономичной, но чтобы такие технологии стали реальностью, нужно пройти очень большой путь.
Рис.8.Две технологические парадигмы: «сверху-вниз» (а,б,в) и «снизу-вверх» (г,д,е).
б) Использование зондов для создания сенсоров различного назначения. Набор кантилеверов, представляющих собой десятки и сотни отдельных датчиков на одном чипе, позволяет анализировать химический состав и реализовать функции «электронного носа» или «электронного языка». Такие приборы можно использовать для химического анализа воздуха, продуктов питания , обнаружения ядов и отравляющих веществ и т.д.
Например, сенсор (кантилевер) с «пришитой» биологической молекулой на кончике острия обнаруживает определенные вещества из-за селективного взаимодействия этой молекулы с некоторыми веществами. Захват молекулы анализируемого вещества изменяет резонансную частоту кантилевера. Таким образом, можно анализировать антитела и энзимы.
в) Высокоплотная запись информации с помощью зондов.
В марте 2005 г. компания IBM представила работоспособный чип устройства квантового хранения данных — «Millipede» («Многоножка», рис. 9). Это новое устройство хранения данных, которое, по прогнозам IBM, заменит существующие чипы flash-памяти. «Многоножка» представляет собой «чистую» цифровую технологию. Принцип ее работы можно сравнить с работой старых проигрывателей грампластинок, в которых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несущей информацию, только у «Многоножки» есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверхности хранения данных, на которой есть углубления, кодирующие «1» и «0». Таким образом, отклонения кантилеверов от равновесного положения переводятся в набор 0 и 1.
Этот чип состоит из матрицы, содержащей 4096 кантилеверов, выполненных как устройства чтения/записи (подобные кантилеверы используются сейчас в атомно-силовых микроскопах). На рис. 9 можно увидеть, как устроена «Многоножка».
Рис. 9. Принцип действия «Многоножки»
Благодаря нанотехнологиям чип изготовлен по 10-нанометровому техпроцессу, позволяющему размещать на органической пленке (которая выступает в качестве носителя информации) углубления диаметром 10 нм. Расстояние между углублениями составляет 100 нм, что позволило разместить на чипе довольно большую матрицу атомно-силовых кантилеверов.Наличие углубления соответствует логической «1», а его отсутствие - логическому «0». При чтении данных специальный привод кремниевого «стола», на котором размещена пленка с данными, перемещает ее в плоскости по заданным координатам X и Y. А привод мультиплексора позволяет управлять каждым кантилевером индивидуально, обеспечивая адресацию памяти. При этом матрица кантилеверов обеспечивает параллельное чтение/запись данных.Стирание записи производится локальным нагреванием органической пленки, что приводит к выпрямлению углублений.
Уже готовый чип может хранить 1,2 Гбит (или 153 Гбайт) на площади в квадратный дюйм. Для сравнения представьте чип размерами с почтовую марку, на которой можно записать содержимое 25 DVD-дисков. Размеры матрицы 4096 кантилеверов — 6,3 • 6,3 мм.
Компания IBM сообщила также, что эта технология может завоевать рынок к 2007 г.
г) Создание нанообъктов с помощью процесса перьевой литографии (рис.10).
Рис.10. Схематическое изображение процесса перьевой литографии;волнистые линии –это «молекулярные чернила».
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Кафедра ТИ-9 «Наноматериалы»
УТВЕРЖДАЮ
Ректор МГУПИ
И.В.Голубятников
« » 2013г.
ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ
по дисциплине 4920
«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»
Рекомендуется для направлений подготовки
222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»
151001 «Технология машиностроения»
151700 «Технологические машины и оборудование»
220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»
150100 «Материаловедение и технологии материалов»
151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Квалификация (степень) выпускника – бакалавр
МГУПИ-2013
.
Лекция №3. Физические основы нанотехнологий
Время: 2 часа (90 мин.).
Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор
Содержание лекции:
Влияние поверхности частиц на свойства. Квантовые точки, проволоки и ямы. «Самосборка» наноструктур. Влияние размеров на поведение дислокаций.
Литература к лекции: