Formation de Nanorobotics et de Nanostructure avec AFM Nanomanipulation

Les microscopes Atomiques de force (AFMs) sont les plus employés souvent pour la représentation à haute résolution et la caractérisation extérieure détaillée, mais peu après que leur invention il ait été identifiée qu'ils pourraient également être employés pour changer, agissent l'un sur l'autre avec, et règlent la substance de nanoscale. Un exemple précoce réputé de ceci était le logo d'IBM écrit avec des atomes de Xénon par le groupe du ` s de Don Eigler au Centre de Recherche d'IBM Almadén. Le groupe de Système De Roquette D'artillerie Légère Samuelson à l'Université de Lund a suggéré qu'il soit possible d'établir des nano-objectifs avec de plus grands, de taille moléculaire synthons et de les assembler avec un AFM dans des conditions ambiantes.

Un groupe à l'Université du Laboratoire de Californie Du Sud pour la Robotique Moléculaire (LMR) dirigée par Aristides Requicha et Bruce Koel avait vérifié cet élan pendant plusieurs années. Leur recherche s'est concentrée sur le développement des systèmes de haut niveau pour programmer un AFM comme robot sensoriel, et l'application de ces systèmes aux problèmes exaltants de nanomanipulation, tels que des prototypes de bâtiment pour des nanosystems.

Une extrémité d'AFM peut être employée par l'intermédiaire de différents mécanismes pour modifier des surfaces avec la définition de nanomètre. Des Tâches telles que la poussée et la traction ou la coupe et la mise en retrait peuvent être effectuées, et des objectifs de nanoscale peuvent être mécaniquement déménagés par l'extrémité de sonde d'AFM. L'extrémité d'AFM peut servir de main robotique pour positionner avec précision des nano-objectifs et pour les assembler sous la gestion par ordinateur.

La manipulation d'AFM pose un problème intéressant en robotique, cependant. Elle peut être comparée à un robot mobile (par exemple, un hélicoptère) traçant un terrain et dirigeant au-dessus de elle à l'aide seulement du radar d'altitude et navigation à l'estime en présence de grandes incertitudes spatiales. Le système nanorobotic comprend les substrats qui servent de nano-établis sur lesquels pour mettre les objectifs à manipuler (analogue aux dispositifs dans le monde de macrorobotics) ; dirige, des sondes, et des molécules qui servent à saisir d'autres, et fonctionne comme préhenseurs ou terminaux ; procédés de produit chimique et d'examen médical nanoassembly ; de primitif fonctionnements nanoassembly (analogues aux fonctionnements de macro-assemblage aimez les mises en place d'ancrage-dans-trou) ; méthodes pour exploiter en kit pour combattre l'incertitude spatiale (analogue à la conformité mécanique dans le macroworld) ; primitifs de matériel pour des nanostructures de établissement ; et logiciel pour la traduction sensorielle, la planification de mouvement, et agir (c.-à-d., pilotant l'AFM).

Les chercheurs de LMR ont développé des méthodes pour positionner les nanoparticles colloïdaux (type colloïdes d'or avec diamètres 5-30nm) exactement et sûrement sur des substrats de mica et de silicium, à l'air ambiant ou aux environnements liquides. Les expériences ont été entreprises avec une CP-Recherche AFM n TappingMode utilisant les encorbellements triangulaire formés de silicium avec une constante de source d'approximativement 13,0 N/m^-1et d'une fréquence de résonance environ 340 kilohertz. Ces encorbellements relativement raides ont donné les meilleurs résultats pour la poussée mécanique.

La Manipulation des nanoparticles d'or a été exécutée en employant le logiciel de NanoMove du groupe de LMR. Le logiciel ajoute plusieurs fonctionnalités uniques à l'instrument pour activer la manipulation. NanoMove donne à l'utilisateur la capacité 1) au contrôle le fonctionnement de contrôle par retour de l'information, 2) exécutent des échographies d'un-line dans n'importe quel sens arbitraire dans le régime DE X/Y ; et 3) saisissent les signes variés simultanément avec la manipulation.

Le Schéma 1 affiche l'interface utilisateur de NanoMove. Le bon menu supérieur affiche l'hublot de contrôle principal et de fonctionnement pour la représentation et la manipulation.

Le Schéma 1. L'interface utilisateur d'utilisateur du logiciel de NanoMove.

Après enregistrement d'une image de topographie, l'utilisateur peut tirer une flèche sur l'image (voyez la flèche rouge dans l'hublot de supérieure gauche) pour déterminer la trajectoire de manipulation. La flèche dicte le sens et la longueur de la ligne d'échographie, et peut être déménagée par la téléphoniste dans le sens de X et de Y jusqu'à ce que la topographie affichée indique que son chemin est centré au-dessus de la particule. Deux barres sont positionnées suivant la ligne d'échographie, affichant le domaine des états de marche alternatifs pour l'AFM, où les remarques de » début » et de » extrémité » de la manipulation peuvent être sélectées. Le contrôle par retour de l'information est arrêté juste avant que l'extrémité balaye en travers de la particule, et est commuté de retour en circuit après adoption de la position transversale désirée (voir le Schéma 2).

Le Schéma 2. Représentation a lieu avec le contrôle de contrôle par retour de l'information en circuit. Arrêter le contrôle par retour de l'information permet la poussée mécanique du nanoparticle.

Une installation de mode de contact est recommendée au cas où les particules et les structures une voudrait manipuler sont fortement fixées à la surface fondamentale. Il y a plusieurs différents protocoles de manipulation en logiciel de NanoMove. On peut sélecter l'un ou l'autre un protocole de contrôle par retour de l'information-hors circuit, avec ou sans le mouvement direct supplémentaire du balayeur, ou a contrôle par retour de l'information-sur le protocole, avec le mouvement indirect du balayeur. Dans ces expériences, l'installation de TappingMode a été choisie parce que les nanoparticles ne peuvent pas être exactement en contact mode imagé, et est remontée pendant la représentation due à la présence des forces de cisaillement transversales.

Le Schéma 3 affiche la manipulation d'un nanoparticle du diamètre 30nm à l'aide des paramètres appropriés de fonctionnement, les particules peut même être soulevé une phase 10nm sur la surface. La hauteur de phase et la dimension particulaire sont de la même commande, et l'expérience est ainsi une première étape vers la construction mécanique des structures en trois dimensions.

Le Schéma 3. Une particule de l'or 30nm (a) avant et (b) après avoir été poussé au-dessus d'une phase 10nm élevée le long du sens indiqué par la flèche. Les Tailles de l'image sont les deux 1μm x 0.5μm.

En descendant à l'échelle de nanomètre les forces matérielles qui sont dominantes dans la macro-échelle deviennent négligeables. AFMs fournissent la capacité d'étudier la mécanique dans le nanoscale. En regardant l'extrémité variée signale (par exemple, l'amplitude et les signes de fléchissement) pendant le fonctionnement de manipulation et analysant les modifications, il est possible d'étudier le mécanisme de la manipulation.

Dans une série de papiers le groupe de LMR a étudié les phénomènes de manipulation d'AFM concernés en poussant un nanoparticle. Ils ont observé que quand l'extrémité oscille relativement loin de la surface, l'amplitude diminue pendant que l'extrémité approche la particule mais la particule ne déménage pas. Quand l'extrémité est suffisamment près de la surface, l'amplitude de vibration va à zéro pendant que la particule est approchée. Le fléchissement en porte-à-faux de C.C devient différent de zéro, et les mouvements de particules, tant que le fléchissement est au-dessus d'une certaine personne à charge de seuil sur les caractéristiques en porte-à-faux et diverses autres de l'installation. Les changements de l'amplitude de vibration et du fléchissement en porte-à-faux de C.C peuvent être employés pour surveiller la manipulation en temps réel, et sans davantage de représentation vérifiez avec un niveau élevé de confiance qui il est réussi. Les études ont prouvé que la manipulation des nanoparticles a lieu par le glissement et pas par un mécanisme de roulis.

Nanoparticles sont les synthons attrayants pour des nanostructures parce que 1) là sont beaucoup de méthodes connues pour synthétiser des nanoparticles avec un grand choix de caractéristiques (par exemple, métallique, semi-conducteur, ou magnétique) et la situation actuelle s'améliore solidement ; 2) les particules ont des tailles plus uniformes (c.-à-d., sont plus de monodisperse) que des structures des tailles comparables effectuées par des techniques de concurrence telles que la lithographie d'électron-poutre ; et 3) des configurations planaires arbitraires des nanoparticles peuvent être établies par nanomanipulation utilisant les protocoles discutés ci-dessus.

La manipulation d'AFM peut être un outil pour la fabrication des configurations de nanoparticles. Le Schéma 4 affiche un exemple de manipulation des particules irrégulier déposées d'or sur un substrat de mica. Les particules d'or du diamètre 15nm ont été poussées d'une première position irrégulière pour former le logo d'USC.

Le Schéma 4. Une configuration irrégulière des billes de l'or 15nm qui a été convertie en configuration de logo de « USC » par une séquence de la poussée commande.

Les chercheurs de LMR ont également étudié la possibilité d'utiliser le nanomanipulation pour le stockage de données. Le Schéma 5 affiche la construction d'une configuration qui encode des Caractères ASCII dans des lignes horizontales des nanoparticles sur une surface. La présence d'une particule à un noeud d'un 2D réseau régulier est interprétée en tant qu'un « 1, » et son absence en tant que « 0. » La configuration, affichée de haut en bas encode « LMR. » Les particules ont des diamètres de 15nm, et les noeuds de réseau sont espacés avec une hauteur de son 100nm. La densité réelle est sur l'ordre de 60 Gb/in²et il devrait être possible d'augmenter cette densité par au-dessus d'un ordre de grandeur utilisant de plus petites particules et un écartement plus serré. Ceci donnerait des entités approchant le Tb/in². Cette technique de mémoire numérique est un candidat pour un NanoCD editable. Cependant, il y a des obstacles qui doivent être surmontés pour qu'il soit pratique.

Le Schéma 5. a) Les caractères « LMR » ASCII encodés dans les lignes des nanobits, et b) la trace a obtenu en affichant la deuxième ligne avec un AFM.

L'élan de manipulation peut être étendu à la fabrication 3D. Le groupe de LMR a expliqué la construction d'une structure 3D par la manipulation réglée des nanoparticles uniques (voir le Schéma 6).

Le Schéma 6. projection de l'image 3D d'une pyramide aiment la structure. La préparation a eu lieu en poussant un nanoparticle 30nm entre deux autres.

Cependant, la manipulation des caractéristiques techniques asymétriquement formées est plus compliquée. Des nanorods d'Or, les 100nm dans la longueur et les 10nm de diamètre, ont été employés par les chercheurs de LMR pour étudier la manipulation des nanoobjects oblongs (voir le Schéma 7).

Le Schéma 7. Une séquence des images de SFM (taille de 500nm x d'échographie de 500nm) affichant la manipulation de quatre nanorods d'or. Les flèches dans chaque image donnent au sens de manipulation ce des résultats dans la configuration de tige dans la prochaine image : (a) Arrangement Initial des tiges ; (b) résultat des manipulations de translation de « 1" le long de lui axe longitudinal de s et de « 2" axe d'acrossthis ; (c) résultats des fonctionnements rotationnels de manipulation de chacune des quatre tiges par 45°, relativement à leur orientation initiale. L'échelle de hauteur de noir à la zone blanche est 10nm.

La manipulation De Translation d'un nanorod sans rotation a lieu chaque fois que l'extrémité heurte le nanorod à son centre. Dans ces expériences, on l'a constaté qu'il était plus facile de traduire les tiges quand le sens de poussée était le long de l'axe longitudinal que quand la poussée était transverse fait à cet axe. C'est parce qu'il est facile de localiser la remarque la plus élevée en travers de la largeur de la tige (qui est le centre de la tige). Par Conséquent, le résultat de la manipulation longitudinale était souvent traduction parfaite tandis que la manipulation transverse entraînait souvent une combinaison de traduction et de rotation. Cette information sur la manipulation de tige est importante pour assembler un nanostructure fonctionnel. Elle sera quelque peu compliquée pour établir de telles structures avec des nanorods, parce qu'après que les tiges soient rugueux positionnées ; les mouvements ultérieurs peuvent devoir spécifier la position et la cornière des nanorods.

Comme mentionné ci-dessus, une extrémité d'AFM peut également être employée pour couper ou courber les matériaux mous, tels que les polymères, ADN, et les nanotubes. Le Schéma 8 affiche le fonctionnement de coupe du plasmide d'ADN. Il peut voir que le résultat de coupe est trop grossier. Un meilleur élan serait d'employer des enzymes pour couper l'échantillon biologique en combination avec une sonde d'AFM pour sélecter le site exact pour la modification. Le Schéma 9 expositions une extrémité d'AFM qui est sous le contrôle de NanoMove courbant un nanotube.

Le Schéma 8. Utilisant une extrémité d'AFM pour couper le plasmide.

Le Schéma 9. Utilisant une extrémité d'AFM pour courber des nanotubes.

La Manipulation des nanoparticles peut également être employée pour établir des prototypes des dispositifs électroniques et optoélectroniques. En fait, plusieurs des dispositifs nanoelectronic existants se sont fondés sur l'occasion de mettre un élément dans la relation désirée avec d'autres ou d'avoir utilisé la manipulation d'AFM. Par exemple, mettre un nanoparticle aux distances de perçage d'un tunnel entre deux électrodes (source et fuite) peut être employé pour effectuer un transistor d'unique-électron (SET). Le Schéma 10 affiche les images d'AFM qui ont été prises pendant la manipulation de deux particules dans un espace vide d'une structure de POSITIONNEMENT.

Le Schéma 10. Fait Un Pas dans la manipulation de deux particules d'or dans une jonction de transistor unique (SET) d'électron.

Un élan assimilé a été utilisé pour un autre système de prototype. Le groupe de LMR et le groupe d'Atwater chez Caltech ont collaboré sur la fabrication d'un guide d'ondes « plasmonic » en mettant les nanoparticles colloïdaux d'or du diamètre 30nm aux distances égales entre eux dans un réseau, avec une particule fluorescente du latex 100nm à l'extrémité du réseau. De l'Énergie à une longueur d'onde dans le domaine visible est injectée dans la particule d'or à une extrémité du réseau, et propage par le réseau en exploitant des effets de proche-zone. Le bouturage est trouvé en observant la fluorescence de la bille de latex. Le guide d'ondes peut également être construit à l'aide de la lithographie d'e-poutre pour fabriquer des nanostructures d'or, mais l'extrémité d'AFM est nécessaire toujours pour manipuler le petit programme fluorescent de latex à l'extrémité de la structure (voir le Schéma 11). Par Conséquent, l'usage de la manipulation d'AFM est essentiel pour la construction du prototype. Ce nanowaveguide est seul parce qu'il a des cotes transverses beaucoup plus petites que la limite de diffraction pour les longueurs d'onde (centaines de nanomètre) qui sont étudiées. Il peut également servir à alimenter la lumière à différentes machines moléculaires sans exciter d'autres machines dans le même voisinage.

Le Schéma 11. guide d'ondes de Plasmonic : (a) Schéma d'un guide d'ondes plasmonic, (b) micrographes de SEM des nanostructures d'or fabriqués par lithographie d'e-poutre, et (c) image d'AFM d'un petit programme de latex (marqué par la flèche jaune) qui a été manipulé à l'extrémité de la modification de nanostructures d'or.

Bien Que les configurations des nanoparticles séparer/puissent être utiles, beaucoup d'applications exigent des nanostructures « solides » des formes particulières. Celles-ci peuvent être rapprochées par des groupes de nanoparticles convenablement positionnés et joints. Le groupe de LMR a vérifié plusieurs élans à joindre. Le premier utilise la métallisation covalente à un éditeur de liens. Par exemple, des particules d'or peuvent être connectées aux dithiols (molécules organiques avec du soufre aux deux extrémités). Les dithiols auto-assemblent à l'or et au servir de colle chimique. Deux variantes de cet élan ont été expliquées : 1) déposant les particules, les positionnant, et puis immergeant l'échantillon dans la solution de dithiol pour les joindre ; ou 2) déposant les particules, appliquant les dithiols, et puis manipulant les particules en contact joint. On l'a constaté qu'il est en effet possible de pousser un groupe de nanoparticles joints par des dithiols en général. Ces résultats expliquent l'assemblage hiérarchique au nanoscale (c.-à-d., la construction des assemblages des composants, qui sont eux-mêmes des montages partiels d'autres composants ou des synthons primitifs).

Le deuxième élan à joindre également utilise en kit sélecteur. Du matériau Supplémentaire est déposé sur les particules jusqu'à ce qu'ils deviennent connectés. Le matériau et les conditions expérimentales doivent être sélectés pour s'assurer que le matériau se réunit aux particules mais pas au reste de l'échantillon. Par exemple, une configuration des nanoparticles d'or peut être utilisée comme descripteur pour le dépôt au bain chaud de l'or supplémentaire (voir le Schéma 12).

Tableau 12. Images de SFM (taille d'échographie de 1μm x de 1μm) affichant les particules colloïdales de l'or 8nm sur SiO₂en tant qu'irrégulier déposé (parti), après manipulation de treize particules pour former un nanotemplate de fil (centre), et après 5 mn dans la solution de injection (droite).

Des fils d'Or de la géométrie arbitraire peuvent être établis en manipulant d'abord les particules dans la géométrie désirée et en les joignant ensuite par la submersion de l'échantillon dans la solution au bain chaud avec un jeu de paramètres particulier, tel que le temps de submersion, concentration, et ainsi de suite.

Très récent utilisations découvertes un troisième par élan agglomérant pour connecter les nanoparticles fluorescents de latex. Les particules sont d'abord manipulées pour former un descripteur désiré. Le descripteur est alors passionné, fondant les particules ensemble dans un nanostructure unique (voir le Schéma 13).

Le Schéma 13. Séquence des images d'AFM affichant la construction d'un nanostructure 3D : a) particules irrégulier déposées, b) après manipulation, c) après l'agglomération 160 au ± 2ºC pendant 10 mn, d) après qu'une particule unique soit ` poussé' sur l'île.

Pour certaines applications il est nécessaire de s'assurer que les nanocomponents sont fixes sur le substrat. Ceci peut également être fait par en kit sélecteur. Un matériau qui se réunit au substrat mais pas les particules n'est utilisées, de ce fait incrustant les particules dans une couche mince. Le groupe de LMR a expliqué la particule encastrant dans une couche d'oxyde de silicium par les premières particules déposantes et les manipulant, puis déposant une couche unitaire d'un silane (une molécule organique contenant des atomes de silicium qui fixe seulement au substrat), et oxydant finalement la couche de silane. Des couches Successives ont été employées pour incruster des particules pour une technique rapide neuve proposée de prototypage au nanoscale, à la nanofabrication posée appelée ou au LNF (voir le Schéma 14). Des objectifs En trois dimensions ont été fabriqués par manipulation de nanoparticle, et chaque couche planarized en ajoutant une couche sacrificatoire moléculaire dont la première surface a servi de support à la prochaine étape de traitement. Les couches sacrificatoires ont été retirées dans une phase finale. Ainsi, les chercheurs ont expliqué qu'il est possible d'établir des couches sacrificatoires et de manipuler des nanoparticles d'or sur elles (voir le Schéma 15).

Le Schéma 14. Vue Schématique de la procédure encastrante des nanoparticles dans une modification₂de SiO.

Le Schéma 15. Les images d'AFM et la ligne correspondante balaye afficher la construction réussie d'une deux-particule, fléau vertical en poussant la particule » 1" sur la particule » 2". La taille d'échographie est 600nm x 600nm, et l'échelle de hauteur est 6nm de noir à la zone blanche.