Entstehung Nanorobotics und Nanostructure mit FLUGHANDBUCH Nanomanipulation

Atomkraftmikroskope (AFMs) sind für hochauflösende Darstellung und ausführliche Oberflächenkennzeichnung, aber bald häufig am benutztesten, nachdem ihre Erfindung es erkannt wurde, dass sie auch verwendet werden konnten, um auf zu ändern, einzuwirken und nanoscale Stoff zu steuern. Ein weithin bekanntes frühes Beispiel von diesem war das IBM-Zeichen, das mit Xenonatomen durch ` s Dons Eigler Gruppe im Forschungszentrum IBMS Almadén geschrieben wurde. Gruppe Lars Samuelsons an der Universität von Lund schlug vor, dass es möglich sein würde, Nano-nachrichten mit den größeren, molekular-groß Bausteinen aufzubauen und sie mit einem FLUGHANDBUCH in den Umgebungsbedingungen zusammenzubauen.

Eine Gruppe an der Universität von Süd-Kaliforniens Labor für die Molekulare Robotik (LMR) vorangegangen von Aristides Requicha und von Bruce Koel hat diesen Anflug für einige Jahre nachgeforscht. Ihre Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung der Hochpegeltechnik für die Programmierung eines FLUGHANDBUCHS als sensorischer Roboter und die Anwendung dieser Anlagen zu schwierigen nanomanipulation Problemen, wie Gebäudeprototypen für nanosystems.

Eine FLUGHANDBUCH-Spitze kann über verschiedene Vorrichtungen verwendet werden, um Oberflächen mit nmauflösung zu ändern. Aufgaben wie Druck und Ziehen oder Ausschnitt und Eindrücken können durchgeführt werden, und nanoscale Nachrichten können durch die FLUGHANDBUCH-Fühlerspitze mechanisch verschoben werden. Die FLUGHANDBUCH-Spitze kann als Roboterhand dienen, Nano-nachrichten genau in Position zu bringen und sie unter Rechnersteuerung zusammenzubauen.

FLUGHANDBUCH-Manipulation wirft ein interessantes Problem in der Robotik, jedoch auf. Sie kann zu einem mobilen Roboter (z.B., ein Hubschrauber) verglichen werden ein Gelände abbildend und über ihr steuernd, indem man nur Höhenradar und Koppelnavigation in Anwesenheit der großen räumlichen Ungewissheiten verwendet. Die nanorobotic Anlage umfaßt Substratflächen, die als Nano-werktische dienen, auf denen die manipuliert zu werden Nachrichten legen (analog Vorrichtungen in der macrorobotics Welt); neigt sich, Fühler und Moleküle, die dienen, andere zu greifen, und arbeitet als Greifer oder Endeeffektoren; Chemikalien- und Systemtestnanoassembly Prozesse; des Primitiven Operationen nanoassembly (analog Makro-Assemblierung Operationen mögen Sie Klammer-inloch Einfügungen); Methoden für die Ausnutzung des Selbstbaus, um die räumliche Ungewissheit zu bekämpfen (analog mechanischer Befolgung im macroworld); Kleinteilprimitive für aufbauende nanostructures; und Software für sensorische Interpretation, Antragplanung und das Wirken (, das FLUGHANDBUCH d.h. treibend).

Die LMR-Forscher entwickelten Methoden für kolloidale nanoparticles (gewöhnlich Goldkolloide mit Durchmessern 5-30nm) auf Glimmer- und Silikonsubstratflächen, in der Luft oder in den Flüssigkeitsumgebungen genau und zuverlässig in Position bringen. Die Experimente wurden mit einem CP-Forschung FLUGHANDBUCH N TappingMode unter Verwendung der dreieckig geformten Silikonkragbalken mit einer Federkonstante von ungefähr 13,0 N/m und^-1von Resonanzfrequenz herum 340 kHz geleitet. Diese verhältnismäßig steifen Kragbalken zeigten die besten Ergebnisse für den mechanischen Druck.

Manipulation der Gold-nanoparticles wurde durchgeführt, indem man die der LMR-das NanoMove-Software Gruppe verwendete. Die Software fügt einige eindeutige Merkmale dem Instrument hinzu, um Manipulation zu aktivieren. NanoMove gibt dem Benutzer die Fähigkeit 1) zur Regelung die Rückkopplung, 2) durchführen EinLinescans in jeder willkürlichen Richtung in den X-Yplan; und 3) erwerben verschiedene Signale gleichzeitig mit der Manipulation.

Abbildung 1 zeigt die NanoMove-Benutzerschnittstelle. Das obere rechte Menü zeigt das Hauptsteuer- und Operationsfenster für Darstellung und Manipulation.

Abbildung 1. Die NanoMove-Software-Benutzerschnittstelle.

Nachdem er ein Topographiebild aufgezeichnet hat, kann der Benutzer einen Pfeil auf dem Bild zeichnen (sehen Sie den roten Pfeil im oberen linken Fenster), um die Manipulationsflugbahn zu bestimmen. Der Pfeil schreibt die Richtung und die Länge der Scan-Zeile vor und kann vom Operator in der X- und O-Richtung verschoben werden, bis die angezeigte Topographie anzeigt, dass sein Pfad über dem Partikel zentriert wird. Zwei Gericht wird nach dem Scan-Grundsatz in Position gebracht und zeigt die Reichweite der alternativen Betriebsbedingungen für das FLUGHANDBUCH, in dem die“ Anfangs-“ und“ Enden“ Punkte der Manipulation ausgewählt werden können. Das Feed-back wird abgestellt, kurz bevor die Spitze über dem Partikel scannt, und wird zurück geschaltet, ein nachdem man die gewünschte Seitenlage erreicht hat (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Darstellung findet mit der Regelung ein statt. Das Feed-back Abstellen erlaubt den mechanischen Druck des Nanoparticle.

Eine Kontaktmodusinstallation wird empfohlen, falls die Partikel und die Zellen man manipulieren möchte werden stark befestigt zur zugrunde liegenden Oberfläche. Es gibt einige verschiedene Manipulationsprotokolle in der NanoMove-Software. Ein kann jedes ein Feed-back-weg Protokoll, mit oder ohne zusätzliche direkte Bewegung des Scanners oder a Feed-back-auf Protokoll, mit indirekter Bewegung des Scanners auswählen. In diesen Experimenten wurde die TappingMode-Installation gewählt, weil die nanoparticles nicht im Kontaktmodus abgebildet genau sein können, und wird während der Darstellung wegen des Vorhandenseins von seitlichen Scherkräften ausgetauscht.

Abbildung 3 zeigt die Manipulation eines Durchmesser 30nm Nanoparticle, indem sie die passenden Betriebsparameter, die Partikel verwendet, kann einen Schritt 10nm sogar hochgedrückt werden auf der Oberfläche. Die Schritthöhe und die Teilchengröße sind von der gleichen Ordnung, und folglich ist das Experiment ein erster Schritt hin zu mechanischem Bau von dreidimensionalen Zellen.

Abbildung 3. Ein Partikel des Gold 30nm (a) vorher und (b), nachdem über einen hohen Schritt 10nm entlang der Richtung gedrückt werden angezeigt worden durch den Pfeil. Bildformate sind beide 1μm x 0.5μm.

Wenn sie unten zur nmschuppe gehen, werden die körperlichen Kräfte, die in der Makroskala dominierend sind, geringfügig. AFMs stellen die Fähigkeit zur Verfügung, die Mechaniker im nanoscale zu studieren. Indem sie betrachtet, signalisiert verschiedene Spitze (z.B., die Amplitude und die Ausschlagsignale) während der Manipulationsoperation und die Änderungen analysierend, ist es möglich, die Vorrichtung der Manipulation zu studieren.

In einer Reihe von Papieren studierte die LMR-Gruppe die FLUGHANDBUCH-Manipulationsphänomene, die wenn sie einen Nanoparticle mit einbezogen wurden, drückte. Sie beobachteten, dass, wenn die Spitze verhältnismäßig weit von die Oberfläche oszilliert, die Amplitude sich verringert, während die Spitze dem Partikel sich nähert, aber der Partikel sich nicht bewegt. Wenn die Spitze genug nah an der Oberfläche ist, geht die Schwingungsamplitude bis null, während der Partikel genähert wird. Der freitragende Ausschlag GLEICHSTROMES wird ungleich null und die Partikelbewegungen, solange der Ausschlag über einem bestimmten Schwellwertabhängigen auf den freitragenden und vielen anderen Eigenschaften der Installation ist. Die Änderungen in der Schwingungsamplitude und in freitragendem GLEICHSTROM-Ausschlag können verwendet werden, um die Manipulation in der Istzeit zu überwachen, und ohne weitere Darstellung überprüfen Sie mit einem hohen Maß Vertrauen, das es erfolgreich ist. Die Studien zeigten, dass die Manipulation von nanoparticles stattfindet, indem sie und nicht durch eine Walzenvorrichtung schiebt.

Nanoparticles sind attraktive Bausteine für nanostructures, weil 1) dort viele bekannten Methoden für die Synthetisierung von nanoparticles mit einer Vielzahl von Eigenschaften (z.B. sind, metallisch, Halbleiter-, oder magnetisch) und das hochmoderne verbessert ständig; 2) haben die Partikel einheitlichere Größen (, sind d.h. mehr monodisperse), als Zellen von den vergleichbaren Größen, die durch konkurrierende Techniken wie Elektronträger Lithographie gemacht werden; und 3) können willkürliche planare Muster von nanoparticles durch nanomanipulation unter Verwendung der Protokolle aufgebaut werden, die oben behandelt werden.

FLUGHANDBUCH-Manipulation kann ein Hilfsmittel für die Fälschung von nanoparticles Mustern sein. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel der Manipulation der nach dem Zufall abgegebenen Goldpartikel auf einer Glimmersubstratfläche. Die Partikel des Durchmessers 15nm Goldwurden von einer gelegentlichen zuerststellung gedrückt, um das USC-Zeichen zu bilden.

Abbildung 4. Ein gelegentliches Muster von Goldkugeln 15nm, das in das „USC-“ Zeichenmuster durch eine Reihenfolge des Drucks konvertiert wurde, befiehlt.

Die LMR-Forscher studierten auch die Möglichkeit der Anwendung von nanomanipulation für Datenspeicher. Abbildung 5 zeigt den Bau eines Musters, das ASCII-Zeichen in den horizontalen Reihen von nanoparticles auf einer Oberfläche kodiert. Das Vorhandensein eines Partikels an einem Knotenpunkt eines regelmäßigen 2D Gitters wird geübersetzt als „1,“ und seine Abwesenheit als „0.“ Das Muster, von oben bis unten gelesen kodiert „LMR.“ Die Partikel haben Durchmesser von 15nm, und die Gitterknotenpunkte werden mit einem Abstand 100nm gesperrt. Die wirkliche Dichte ist im Auftrag 60 Gb/in²und es sollte möglich sein, diese Dichte vorbei über einer Größenordnung unter Verwendung der Teilchen und des festeren Abstandes zu erhöhen. Dieses würde die Instanzen geben, die dem Tb/in sich nähern². Diese Digitalspeichertechnik ist ein Kandidat für ein editable NanoCD. Jedoch gibt es Hindernisse, die ausgeglichen werden müssen, damit es praktisch ist.

Abbildung 5. A) die Zeichen „LMR“ ASCII kodiert in den Reihen von nanobits und B) die Spur erreichte, indem sie die zweite Reihe mit einem FLUGHANDBUCH las.

Der Manipulationsanflug kann auf Fälschung 3D ausgedehnt werden. Die LMR-Gruppe demonstrierte den Bau einer Zelle 3D durch esteuerte Manipulation von einzelnen nanoparticles (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6. Projektion des Bildes 3D einer Pyramide mögen Zelle. Die Vorbereitung fand statt, indem sie einen Nanoparticle 30nm oben zwischen zwei andere drückte.

Jedoch ist die Manipulation von asymetrisch geformten Merkmalen schwieriger. Gold-nanorods, 100nm in der Länge und 10nm im Durchmesser, wurden von den LMR-Forschern verwendet, um die Manipulation von länglichen nanoobjects zu studieren (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7. Eine Reihenfolge von SFM-Bildern (500nm- x 500nm-Scan-Größe) die Manipulation von vier Gold-nanorods anzeigend. Die Pfeile in jedem Bild zeigen der dieser Manipulationsrichtung Ergebnisse in der Gestängekonfiguration im Folgenden Bild: (a) Anfangsanordnung für die Gestänge; (b) Ergebnis der Übersetzungsmanipulationen „von 1" entlang ihm s-Längsschwerpunkt und „von 2" acrossthis Schwerpunkt; (c) Ergebnisse der Rotationsmanipulationsoperationen aller vier Gestänge durch 45°, im Verhältnis zu ihrer ursprünglichen Orientierung. Die Höhenschuppe von Schwarzem zum Weiß ist 10nm.

Übersetzungsmanipulation eines nanorod ohne Rotation findet statt, wann immer die Spitze das nanorod in seiner Mitte schlägt. In diesen Experimenten wurde es gefunden, dass es einfacher war, die Gestänge zu übertragen, als die Druckrichtung entlang dem Längsschwerpunkt als war, als der Druck zu diesem Schwerpunkt getanes Quer war. Dieses ist, weil es einfach ist, den Höhepunkt über der Breite des Gestänges (das zu lokalisieren die Mitte des Gestänges ist). Deshalb war das Ergebnis der Längsmanipulation häufig perfekte Übersetzung, während Quermanipulation häufig eine Kombination der Übersetzung und der Rotation verursachte. Diese Informationen über Gestängemanipulation sind für das Zusammenbauen eines Funktions-nanostructure wichtig. Es wird ein wenig erschwert, um solche Zellen mit nanorods aufzubauen, weil, nachdem die Gestänge ungefähr in Position gebracht sind; nachfolgende Bewegungen müssen möglicherweise Stellung und Winkel der nanorods festlegen.

Wie bereits erwähnt kann eine FLUGHANDBUCH-Spitze auch verwendet werden, um weiche Materialien, wie Polymere, DNS zu schneiden oder zu verbiegen und nanotubes. Abbildung 8 zeigt den Schneidvorgang von DNS-Plasmid. Es kann gesehen werden, dass das Ausschnittergebnis zu grob ist. Ein besserer Anflug würde, Enzyme zu verwenden sein, um die biologische Probe im Verbindung mit einem FLUGHANDBUCH-Fühler zu schneiden, um die genaue Site für die Modifikation auszuwählen. Abbildung 9 Shows eine FLUGHANDBUCH-Spitze, die unter NanoMove-Regelung ist, die ein nanotube verbiegt.

Abbildung 8. Unter Verwendung einer FLUGHANDBUCH-Spitze, zum des Plasmids zu schneiden.

Abbildung 9. Unter Verwendung einer FLUGHANDBUCH-Spitze, zum von nanotubes zu verbiegen.

Manipulation von nanoparticles kann auch verwendet werden, um Prototypen von elektronischen und optoelektronischen Einheiten aufzubauen. Tatsächlich haben viele der vorhandenen nanoelectronic Einheiten entweder auf Möglichkeit, ein Element in das gewünschte Verhältnis zu anderen zu legen oder FLUGHANDBUCH-Manipulation verwendet zu haben beruht. Zum Beispiel kann das Legen eines Nanoparticle in Tunnelbauabständen zwischen zwei Elektroden (Quelle und Ablaß) verwendet werden, um einen Einzelelektron Transistor herzustellen (SET). Abbildung 10 zeigt FLUGHANDBUCH-Bilder, die während der Manipulation von zwei Partikeln in einen Abstand einer SET-Zelle genommen wurden.

Abbildung 10. Tritt in die Manipulation von zwei Goldpartikeln in eine einzelne Elektrontransistor (SET)kreuzung.

Ein ähnlicher Anflug wurde für ein anderes Prototypsystem verwendet. Die LMR-Gruppe und die Atwater-Gruppe bei Caltech arbeiteten auf der Fälschung eines „plasmonic“ Hohlleiters zusammen, indem sie kolloidale nanoparticles Gold des Durchmessers 30nm in gleichen Abständen von einander in eine Kette, mit einem Leuchtstoff Partikel des Latex 100nm am Ende der Kette legten. Energie an einer Wellenlänge im Bereich des Sichtbaren wird in den Goldpartikel bei einem Ende der Kette eingespritzt und fortpflanzt durch die Kette, indem man Nahfeldeffekte ausnutzt. Die Ausbreitung wird entdeckt, indem man die Fluoreszenz der Latexkugel beobachtet. Der Hohlleiter kann auch konstruiert werden, indem man Eträger Lithographie verwendet, um Gold-nanostructures zu fabrizieren, aber die FLUGHANDBUCH-Spitze wird noch benötigt, um die Leuchtstoffraupe des Latex zum Ende der Zelle zu manipulieren (siehe Abbildung 11). Deshalb ist die Verwendung der FLUGHANDBUCH-Manipulation für den Bau des Prototyps entscheidend. Dieses nanowaveguide ist eindeutig, weil es die Querabmessungen hat, die als die Beugungsgrenze für die Wellenlängen (Hunderte von nm) viel kleiner sind die studiert werden. Es dient möglicherweise auch, Leuchte zu den einzelnen molekularen Maschinen zu führen, ohne andere Maschinen in der gleichen Nachbarschaft zu erregen.

Abbildung 11. Plasmonic-Hohlleiter: (a) Diagramm eines plasmonic Hohlleiters, (b) SEM-Mikrographen von Eträger Lithographie fabrizierten Gold- nanostructures und (c) FLUGHANDBUCH-Bild einer Latexraupe (markiert durch gelben Pfeil) die zum Ende der Gold-nanostructures Grundmasse manipuliert wurde.

Obwohl Muster von gelösten nanoparticles nützlich sein können, benötigen viele Anwendungen „feste“ nanostructures von spezifischen Formen. Diese können durch Gruppen der geeignet in Position gebrachten und verbundenen nanoparticles angeglichen werden. Die LMR-Gruppe forschte einige Anflüge zum Verbinden nach. Die kovalente Masseverbindung der Erstbenutzungen zu einem Verknüpfungsprogramm. Zum Beispiel können Goldpartikel mit dithiols (organische Moleküle mit Schwefel an beiden Enden) angeschlossen werden. Die dithiols selbst-bauen zum Gold und zum Aufschlag als chemischer Kleber zusammen. Zwei Varianten dieses Anfluges wurden demonstriert: 1) die Partikel abgebend, sie in Position bringend und dann tauchen die Probe in der dithiol Lösung unter, um sie zu verbinden; oder 2), die Partikel abgebend, die dithiols anwendend und dann manipulieren die Partikel in verbundenen Kontakt. Es wurde gefunden, dass es tatsächlich möglich ist, eine Gruppe nanoparticles zu drücken, die durch dithiols als Ganzes verbunden werden. Diese Ergebnisse zeigen hierarchische Einheit am nanoscale (d.h., der Bau von Montagen von Bauteilen, die selbst Unterbaugruppen anderer Bauteile oder der ursprünglichen Bausteine sind).

Der zweite Anflug an auch verbinden verwendet selektiven Selbstbau. Zusätzliches Material wird auf den Partikeln abgegeben, bis sie angeschlossen werden. Das Material und die experimentellen Bedingungen müssen ausgewählt werden, um zu garantieren, dass das Material zu den Partikeln aber nicht zum Rest der Probe zusammenbaut. Zum Beispiel kann ein Muster von Gold-nanoparticles als Schablone für die electroless Absetzung des zusätzlichen Goldes verwendet werden (siehe Abbildung 12).

Tabelle 12. SFM-Bilder (1μm x 1μm Scan-Größe) des Gold 8nm auf SiO als nach dem Zufall abgegeben₂(verlassen), nach Manipulation von dreizehn Partikeln, um ein Kabel nanotemplate (Mitte) zu bilden und nach 5 Minuten in der säenden Lösung anzeigend kolloidale Partikel (recht).

Goldkabel der willkürlichen Geometrie können aufgebaut werden, indem man zuerst die Partikel in die gewünschte Geometrie manipuliert und dann sie durch Immersion der Probe in der electroless Lösung mit einem spezifischen Set Parametern, wie Tauchdauer, Konzentration, und so weiter verbindet.

Ein dritter Anflug entdeckter sehr vor kurzem Gebrauch, der sintert, um Leuchtstofflatex nanoparticles anzuschließen. Die Partikel werden zuerst manipuliert, um eine gewünschte Schablone zu bilden. Die Schablone wird dann geheizt und zusammen schmilzt die Partikel in ein einzelnes nanostructure (siehe Abbildung 13).

Abbildung 13. Reihenfolge von FLUGHANDBUCH-Bildern, die den Bau eines nanostructure 3D zeigen: A) nach dem Zufall abgegebene Partikel, B) nach Manipulation, c) nachdem dem Sintern bei 160 ± 2ºC für 10 Minuten, d), nachdem ein einzelner Partikel gedrückte `' das oben auf die Insel ist.

Für bestimmte Anwendungen ist es notwendig, zu garantieren, dass nanocomponents auf der Substratfläche örtlich festgelegt sind. Dieses kann vom selektiven Selbstbau auch getan werden. Ein Material, das zur Substratfläche zusammenbaut, aber nicht die Partikel verwendet wird, die Partikel in einer Dünnschicht so einbettend. Die LMR-Gruppe demonstrierte den Partikel, der in einer Siliziumoxidschicht durch erste abgebende Partikel einbettet und sie manipuliert, dann eine monomolekulare Schicht eines Siliziumwasserstoffs abgibt (ein organisches Molekül, das Silikonatome enthält, das nur zur Substratfläche befestigt) und schließlich die Siliziumwasserstoffschicht, der oxidiert. Aufeinander folgende Schichten wurden verwendet, um die Partikel für eine vorgeschlagene neue schnelle Erstausführungstechnik am nanoscale einzubetten, genannt überlagerte Nanofabrikation oder LNF (siehe Abbildung 14). Dreidimensionale Nachrichten wurden durch Nanoparticlemanipulation fabriziert, und jede Schicht planarized, indem man eine molekulare Opferschicht hinzufügte, deren Oberfläche als Halterung für den folgenden Verarbeitungsschritt diente. Die Opferschichten wurden in einen letzten Schritt gelöscht. So zeigten die Forscher, dass es möglich, Opfer- Schichten aufzubauen ist und Gold-nanoparticles oben auf sie zu manipulieren (siehe Abbildung 15).

Abbildung 14. Schematischer Aufbau der Einbettungsprozedur von nanoparticles in einer SiO-₂Grundmasse.

Abbildung 15. FLUGHANDBUCH-Bilder und entsprechende Zeile scannt das Anzeigen des erfolgreichen Baus eines Zweipartikels, aufrechte Spalte, indem sie Partikel“ 1" oben auf Partikel“ 2" drücken. Die Scan-Größe ist 600nm x 600nm, und die Höhenschuppe ist 6nm von Schwarzem zum Weiß.