Formazione di Nanostructure e di Nanorobotics con il AFM Nanomanipulation

I microscopi Atomici della forza (AFMs) sono più usati spesso per la rappresentazione ad alta definizione e la caratterizzazione di superficie dettagliata, ma presto dopo che la loro invenzione è stata riconosciuta che potrebbero anche essere usati per cambiare, interagire con e per gestire la materia del nanoscale. Un esempio iniziale ben noto di questo era il logo di IBM scritto con gli atomi del Xeno dal gruppo del ` s di Don Eigler al Centro di Ricerca di IBM Almadén. Il gruppo del Lars Samuelson all'Università di Lund ha suggerito che fosse possibile sviluppare gli nano-oggetti con le più grandi, particelle elementari molecolare di taglia e montarle con un AFM nelle circostanze ambientali.

Un gruppo all'Università di Laboratorio della California Del Sud per Robotica Molecolare (LMR) intestata da Aristide Requicha e da Bruce Koel sta studiando questo approccio per parecchi anni. La Loro ricerca ha messo a fuoco sullo sviluppo dei sistemi ad alto livello per la programmazione del AFM come robot sensoriale e sull'applicazione di questi sistemi ai problemi provocatori di nanomanipulation, quali i prototipi del bene immobile per i nanosystems.

Un suggerimento del AFM può essere usato via i meccanismi differenti per modificare le superfici con risoluzione di nanometro. Le Mansioni come la spinta e la trazione o il taglio e rientro possono essere eseguite e gli oggetti del nanoscale possono essere mossi meccanicamente dal suggerimento della sonda del AFM. Il suggerimento del AFM può servire da mano robot posizionare precisamente gli nano-oggetti e montarli sotto controllo del computer.

La manipolazione del AFM pone un problema interessante in robotica, tuttavia. Può essere paragonata ad un robot mobile (per esempio, un elicottero) mappante un terreno e traversante sopra usando soltanto il radar di altitudine ed il conto morto in presenza di grandi incertezze spaziali. Il sistema nanorobotic include i substrati che serviscono da nano-stazioni di lavoro su cui collocare gli oggetti da manipolare (analogo ai dispositivi nel mondo di macrorobotics); i suggerimenti, le sonde e le molecole che serviscono ad afferrare altre e funzionano come le pinze di presa o estremità-effettori; trattamenti di fisico medica e del prodotto chimico nanoassembly; del primitivo operazioni nanoassembly (analoghe alle operazioni del macroassemblaggio gradisca le inserzioni del parità-in-foro); metodi per lo sfruttamento dell'auto-assembly per combattere incertezza spaziale (analoga a conformità meccanica nel macroworld); primitivi del hardware per i nanostructures di costruzione; e software per l'interpretazione, la pianificazione di moto ed agire sensitivi (cioè, guidando il AFM).

I ricercatori di LMR hanno messo a punto i metodi per il posizionamento delle nanoparticelle colloidali (tipicamente colloidi dell'oro con i diametri 5-30nm) esattamente ed attendibilmente sui substrati di silicio e della mica, in aria ambientale o negli ambienti liquidi. Gli esperimenti sono stati eseguiti con una CP-Ricerca il AFM N TappingMode facendo uso di travi a mensola triangolare a forma di del silicio con una costante della sorgente di circa 13,0 N/m^-1e di una frequenza di risonanza intorno 340 chilocicli. Queste travi a mensola relativamente rigide hanno mostrato i migliori risultati per la spinta meccanica.

La Manipolazione delle nanoparticelle dell'oro è stata realizzata utilizzando il software del NanoMove del gruppo di LMR. Il software aggiunge parecchie funzionalità uniche allo strumento per permettere alla manipolazione. NanoMove dà all'utente l'abilità 1) a controllo l'operazione di feedback, 2) esegue le scansioni del un-line in tutta la direzione arbitraria nella pianificazione DI X-Y; e 3) acquista simultaneamente i vari segnali con la manipolazione.

Figura 1 mostra l'interfaccia utente di NanoMove. Il menu in alto a destra mostra la finestra dell'operazione e di controllo principale per la rappresentazione e la manipolazione.

Figura 1. L'interfaccia utente del software di NanoMove.

Dopo la registrazione dell'immagine della topografia, l'utente può dissipare una freccia sull'immagine (vedi la freccia rossa nella finestra in alto a sinistra) per determinare la traiettoria di manipolazione. La freccia detta la direzione e la lunghezza della linea di scansione e può essere mossa dall'operatore nella direzione di Y e di X finché la topografia video non indichi che il suo percorso è concentrato sopra la particella. Due barre sono posizionate seguendo la linea di scansione, mostrante l'intervallo delle condizioni di gestione alternative per il AFM, in cui i punti dell'estremità„ e„„„ di inizio della manipolazione possono essere selezionati. Il feedback è spento appena prima che il suggerimento scandisce attraverso la particella ed è passato indietro sopra dopo il raggiungimento della posizione laterale desiderata (si veda Figura 2).

La Figura 2. la Rappresentazione ha luogo con il controllo feedback sopra. Spegnere il feedback permette la spinta meccanica della nanoparticella.

Un'impostazione del modo di contatto è raccomandata nel caso le particelle e le strutture una voglia manipolare forte sono fissate alla superficie di fondo. Ci sono vari protocolli di manipolazione nel software di NanoMove. Uno può selezionare qualsiasi un protocollo di feedback-fuori, con o senza movimento diretto supplementare dello scanner, o la a feedback-sul protocollo, con movimento indiretto dello scanner. In questi esperimenti, l'impostazione di TappingMode è stata scelta perché le nanoparticelle non possono essere imaged esattamente nel modo di contatto ed è sostituita durante la rappresentazione dovuto la presenza di forze di taglio laterali.

Figura 3 mostra la manipolazione di una nanoparticella del diametro 30nm usando i parametri appropriati dell'operazione, le particelle può anche essere spinta verso l'alto un punto 10nm sulla superficie. L'altezza di punto e la dimensione delle particelle sono dello stesso ordine e l'esperimento è così un primo punto verso costruzione meccanica delle strutture tridimensionali.

Figura 3. Una particella dell'oro 30nm (a) prima e (b) dopo la spinta sopra un alto punto 10nm lungo la direzione indicata dalla freccia. Le Dimensioni immagine sono entrambi i 1μm x 0.5μm.

Nel andare giù al disgaggio di nanometro le forze fisiche che sono dominanti nella macroscala diventano trascurabili. AFMs fornisce la capacità di studiare i meccanici nel nanoscale. Esaminando il vario suggerimento segnala (per esempio, l'ampiezza ed i segnali di deformazione) durante l'operazione di manipolazione ed analizzando i cambiamenti, è possibile studiare il meccanismo della manipolazione.

In una serie dei documenti il gruppo di LMR ha studiato i fenomeni di manipolazione del AFM coinvolgere nella spinta della nanoparticella. Hanno osservato che quando il suggerimento sta oscillando relativamente lontano dalla superficie, l'ampiezza fa diminuire come gli approcci del suggerimento la particella ma la particella non si muove. Quando il suggerimento è sufficientemente vicino alla superficie, l'ampiezza di vibrazione va a zero mentre la particella si avvicina a. La deformazione a mensola di CC si trasforma in diversa da zero e nei movimenti della particella, finchè la deformazione è sopra un dipendente sicuro della soglia sulle caratteristiche a mensola e varie dell'impostazione. I cambiamenti nell'ampiezza di vibrazione e nella deformazione a mensola di CC possono essere usati per riflettere la manipolazione in tempo reale e senza ulteriore rappresentazione verifichi con un alto livello di fiducia che riesce. Gli studi hanno indicato che la manipolazione delle nanoparticelle ha luogo facendo scorrere e non da un meccanismo di laminazione.

Le Nanoparticelle sono particelle elementari attraenti per i nanostructures perché 1) là è molti metodi conosciuti per la sintetizzazione delle nanoparticelle con varie caratteristiche (per esempio, metallico, semiconduttore, o magnetico) e lo stato dell'arte sta migliorando costantemente; 2) le particelle hanno dimensioni più costanti (cioè, è più monodisperse) che le strutture delle dimensioni comparabili fatte mediante tecniche in competizione quale la litografia del fascio di elettroni; e 3) i reticoli planari arbitrari delle nanoparticelle possono essere sviluppati dal nanomanipulation facendo uso dei protocolli discussi sopra.

La manipolazione del AFM può essere uno strumento per il montaggio dei reticoli di nanoparticelle. Figura 4 mostra un esempio di manipolazione delle particelle a caso depositate dell'oro su un substrato della mica. Le particelle dell'oro del diametro 15nm sono state spinte da una posizione casuale iniziale per formare il logo di USC.

Figura 4. Un reticolo casuale delle palle dell'oro 15nm che è stato convertito in reticolo di logo “di USC„ da una sequenza di spinta ordina.

I ricercatori di LMR egualmente hanno studiato la possibilità di usando il nanomanipulation per l'archiviazione di dati. Figura 5 mostra la costruzione di un reticolo che codifica i caratteri ASCII nelle righe orizzontali delle nanoparticelle su una superficie. La presenza di particella ad un vertice di una 2D griglia regolare è interpretata come “un 1,„ e sua assenza come “un 0.„ Il reticolo, colto dall'alto al basso codifica “LMR.„ Le particelle hanno diametri di 15nm ed i vertici di griglia sono spaziati con un passo 100nm. La densità reale è sull'ordine di 60 Gb/in²e dovrebbe essere possibile aumentare questa densità vicino sopra un ordine di grandezza facendo uso di più piccole particelle e di gioco più stretto. Ciò dare le entità che si avvicinano al Tb/in². Questa tecnica di memoria numerica è un candidato per un NanoCD editabile. Tuttavia, ci sono ostacoli che devono essere superati affinchè siano pratici.

La Figura 5. a) L'ASCII dei caratteri “LMR„ codificato nelle righe dei nanobits e b) la traccia si è verificata leggendo la seconda riga con un AFM.

L'approccio di manipolazione può essere estendere a montaggio 3D. Il gruppo di LMR ha dimostrato la costruzione di una struttura 3D tramite manipolazione controllata di singole nanoparticelle (si veda Figura 6).

La Figura 6. proiezione di immagine 3D di una piramide gradisce la struttura. Il preparato ha avuto luogo spingendo una nanoparticella 30nm su fra due altre.

Tuttavia, la manipolazione delle funzionalità assimetricamente a forma di è più complicata. I nanorods dell'Oro, 100nm di lunghezza e 10nm di diametro, sono stati usati dai ricercatori di LMR per studiare la manipolazione dei nanoobjects prolungati (si veda Figura 7).

Figura 7. Una sequenza delle immagini di SFM (dimensione di scansione di 500nm x di 500nm) che video la manipolazione di quattro nanorods dell'oro. Le frecce in ogni immagine mostrano alla direzione di manipolazione quella i risultati nella configurazione dei bastoncini nell'immagine seguente: (a) Disposizione Iniziale dei coni retinici; (b) risultato delle manipolazioni di traduzione “di 1" lungo asse longitudinale di s e “di 2" asse di acrossthis; (c) risultati dei funzionamenti rotazionali di manipolazione di tutti e quattro i coni retinici da 45°, riguardante il loro orientamento originale. Il disgaggio di altezza da nero a bianco è 10nm.

La manipolazione Di Traduzione di un nanorod senza rotazione ha luogo ogni volta che il suggerimento colpisce il nanorod al suo centro. In questi esperimenti, è stato trovato che era più facile da tradurre i coni retinici quando la direzione di spinta era lungo l'asse longitudinale che quando spingere era trasversale fatto a questo asse. Ciò è perché è facile da individuare il più alto punto attraverso la larghezza dei bastoncini (che sono il centro dei bastoncini). Di Conseguenza, il risultato di manipolazione longitudinale era spesso traduzione perfetta mentre la manipolazione trasversale ha causato spesso una combinazione di traduzione e di rotazione. Questi informazioni su manipolazione dei bastoncini sono importanti per il montaggio del nanostructure funzionale. Saranno complicate piuttosto per sviluppare tali strutture con i nanorods, perché dopo che i coni retinici sono posizionati approssimativamente; i movimenti successivi possono dovere specificare sia la posizione che l'angolo dei nanorods.

Come detto precedentemente, un suggerimento del AFM può anche essere usato per tagliare o piegare i materiali molli, quali i polimeri, DNA e nanotubes. Figura 8 mostra l'operazione di taglio del plasmide del DNA. Può essere veduto che il risultato di taglio è troppo grezzo. Un migliore approccio sarebbe di usare gli enzimi per tagliare il campione biologico congiuntamente ad una sonda del AFM per selezionare il sito esatto per la modifica. Figura 9 manifestazioni un suggerimento del AFM che è sotto controllo di NanoMove che piega un nanotube.

Figura 8. Facendo Uso di un suggerimento del AFM per tagliare plasmide.

Figura 9. Facendo Uso di un suggerimento del AFM per piegare i nanotubes.

La Manipolazione delle nanoparticelle può anche essere usata per sviluppare i prototipi delle unità elettroniche ed optoelettroniche. Infatti, molte delle unità nanoelectronic attuali hanno contato sulla probabilità collocare un elemento nella relazione desiderata con altre o usare la manipolazione del AFM. Per esempio, collocare una nanoparticella alle distanze di traforo fra due elettrodi (sorgente e filtro) può essere usato per fare un transistor dell'unico elettrone (SET). Figura 10 mostra le immagini del AFM che sono state catturate durante la manipolazione di due particelle nello spazio vuoto di una struttura dell'INSIEME.

Figura 10. Fa Un Passo nella manipolazione di due particelle dell'oro in una singola giunzione di transistor (SET) dell'elettrone.

Un simile approccio è stato usato per un altro sistema di prototipo. Il gruppo di LMR ed il gruppo di Atwater a Caltech hanno collaborato sulla lavorazione di una guida d'onda “plasmonic„ collocando le nanoparticelle colloidali dell'oro del diametro 30nm alle distanze uguali l'uno dall'altro in una catena, con una particella fluorescente del lattice 100nm all'estremità della catena. L'Energia ad una lunghezza d'onda nell'intervallo visibile è iniettata nella particella dell'oro ad un'estremità della catena e si propaga attraverso la catena sfruttando gli effetti del quasi-campo. La propagazione è individuata osservando la fluorescenza della palla del lattice. La guida d'onda può anche essere costruita usando la litografia del e-raggio per da costruzione i nanostructures dell'oro, ma il suggerimento del AFM ancora è necessario per manipolare la perla fluorescente del lattice all'estremità della struttura (si veda Figura 11). Di Conseguenza, l'uso della manipolazione del AFM è cruciale per la costruzione del prototipo. Questo nanowaveguide è unico perché ha dimensioni trasversali molto più piccole del limite di diffrazione per le lunghezze d'onda (centinaia di nanometro) che stanno studiande. Può anche servire a alimentare l'indicatore luminoso ai diversi commputer molecolari senza eccitare altri commputer nella stessa vicinanza.

Figura 11. guida d'onda di Plasmonic: (a) Disegno Schematico di una guida d'onda plasmonic, (b) micrografi di SEM dei nanostructures dell'oro da costruzione litografia del e-raggio e (c) immagine del AFM di una perla del lattice (tracciata dalla freccia gialla) che è stata manipolata all'estremità della matrice di nanostructures dell'oro.

Sebbene i reticoli delle nanoparticelle sconnesse possano essere utili, molte applicazioni richiedono i nanostructures “solidi„ delle forme specifiche. Questi possono approssimarsi a dai gruppi di nanoparticelle adeguatamente posizionate e collegate. Il gruppo di LMR ha studiato parecchi approcci al collegamento. Il primo usa il legame covalente ad un linker. Per esempio, le particelle dell'oro possono essere connesse con i dithiols (molecole organiche con zolfo ad entrambe le estremità). I dithiols auto-montano all'oro ed al servire come colla chimica. Due varianti di questo approccio sono state dimostrate: 1) depositando le particelle, posizionante li e poi immergenti il campione nella soluzione di dithiol per collegarle; o 2) depositando le particelle, applicanti i dithiols e poi manipolanti le particelle nel contatto collegato. È stato trovato che è effettivamente possibile spingere un gruppo di nanoparticelle collegate dai dithiols in generale. Questi risultati dimostrano l'assembly gerarchico al nanoscale (cioè, la costruzione dei montaggi delle componenti, che sono stesse subassiemi di altre componenti o delle particelle elementari primitive).

Il secondo approccio al collegamento anche utilizza l'auto-assembly selettivo. Il materiale Supplementare è depositato sulle particelle finché non siano connessi. Il materiale e le circostanze sperimentali devono essere selezionati per assicurarsi che il materiale monti alle particelle ma non al resto del campione. Per esempio, un reticolo delle nanoparticelle dell'oro può essere usato come modello per il deposito electroless di oro supplementare (si veda Figura 12).

Tabella 12. Immagini di SFM (dimensione di scansione di 1μm x di 1μm) che video le particelle colloidali dell'oro 8nm su SiO₂come depositato a caso (andato), dopo una manipolazione di tredici particelle per formare un nanotemplate del collegare (centro) e dopo 5 minuti nella soluzione di semina (destra).

I collegare dell'Oro della geometria arbitraria possono essere costruiti in primo luogo manipolando le particelle nella geometria desiderata e poi collegandole tramite l'immersione del campione nella soluzione electroless con un insieme dei parametri specifico, quale tempo di immersione, concentrazione, e così via.

Molto recentemente usi scoperti un terzo approccio che sinterizzano per connettere le nanoparticelle fluorescenti del lattice. Le particelle in primo luogo sono manipolate per formare un modello desiderato. Il modello poi è riscaldato, fondente insieme le particelle in un singolo nanostructure (si veda Figura 13).

Figura 13. Sequenza delle immagini del AFM che mostrano la costruzione di un nanostructure 3D: particelle a caso depositate di a), b) dopo manipolazione, c) dopo la sinterizzazione 160 al ± 2ºC per 10 minuti, d) dopo che una singola particella è ` spinto' sopra l'isola.

Per determinate applicazioni è necessario da assicurarsi che i nanocomponents siano fissi sul substrato. Ciò può anche essere fatta mediante auto-assembly selettivo. Un materiale che monta al substrato ma non le particelle è usata, così includendo le particelle in uno strato sottile. Il gruppo di LMR ha dimostrato la particella che incassa in un livello dell'ossido di silicio dalle prime particelle di deposito e che le manipola, quindi depositante uno strato monomolecolare di un silano (una molecola organica che contiene gli atomi del silicio che fissa soltanto al substrato) e definitivo ossidante il livello del silano. I livelli Successivi sono stati utilizzati per includere le particelle per una nuova tecnica rapida proposta di modello al nanoscale, chiamate nanofabbricazione stratificata o LNF (si veda Figura 14). Gli oggetti Tridimensionali da costruzione tramite manipolazione di nanoparticella ed ogni livello planarized aggiungendo un livello sacrificale molecolare di cui la superficie superiore ha servito da contributo alla fase di lavorazione seguente. I livelli sacrificali sono stati rimossi ad una tappa finale. Quindi, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile sviluppare i livelli sacrificali e manipolare le nanoparticelle dell'oro sopra loro (si veda Figura 15).

Figura 14. Visualizzazione Schematica della procedura d'incassassatura delle nanoparticelle in una matrice₂di SiO.

Figura 15. Le immagini del AFM e la riga corrispondente scandisce il video di riuscita costruzione di una due-particella, colonna dritta spingendo la particella„ 1" sopra la particella„ 2". La dimensione di scansione è 600nm x 600nm ed il disgaggio di altezza è 6nm da nero a bianco.