AFM Nanomanipulation との Nanorobotics および Nanostructure の形成

原子力の顕微鏡は (AFMs)また変更し、と相互に作用し、 nanoscale の問題を制御するのに使用できること発明がそれ認識された後高解像イメージ投射および詳しい表面の性格描写のために最も頻繁に使用されます、すぐにが。 これの有名で早い例は IBM Almadén の研究所でドン Eigler の ` s のグループキセノン原子と書かれている IBM のロゴでした。 ルンドの大学の Lars Samuelson のグループはより大きい、分子サイズのブロックが付いている nano 目的を構築し、包囲された条件で AFM とのアセンブルすることは可能であることを提案しました。

Aristides Requicha およびブルース Koel が先頭に立つ分子ロボット工学 (LMR) のための実験室南カリフォルニア大学のグループはずっと数年のためのこのアプローチを調査しています。 研究は感覚的なロボットとして AFM をプログラムするための高レベルシステムの開発、および nanosystems のための建物プロトタイプのような挑戦的な nanomanipulation 問題にこれらのシステムのアプリケーションに、焦点を合わせました。

異なったメカニズムによって AFM の先端がナノメーターの解像度の表面を修正するのに使用することができます。 押し、引っ張りか、または切断、そして字下がりにすることのようなタスクは行い nanoscale の目的は AFM のプローブの先端によって機械的に移動することができます。 AFM の先端はロボティック手として正確に nano 目的を置き、計算機制御の下でアセンブルするのに役立つことができます。

しかし AFM の処理はロボット工学の興味深い問題を、提起します。 それは移動ロボット (例えば、ヘリコプター) にナビゲートする地勢をマップし、高度のレーダーおよびデッド計算だけ使用によって大きく空間的な不確実性の前でそれに例えることができます。 nanorobotic システムは処理されるべき目的を置くため nano 仕事台として役立つ基板を含んでいます (macrorobotics の世界の据え付け品に類似した); 、他をつかむのに役立つひっくり返グリッパーか終り作動体として作用しますプローブおよび分子; 化学薬品および nanoassembly 物理プロセス; nanoassembly プリミティブ操作 (マクロアセンブリ操作に止め釘穴の挿入を好んで下さい類似した); 自己アセンブリを空間的な不確実性を (macroworld の機械承諾に類似した) 戦うのに開発するための方法; 構築の nanostructures のためのハードウェアのプリミティブ; そして感覚的な解釈、動きの計画、および機能のためのソフトウェア (すなわち、 AFM を運転します)。

LMR の研究者は周囲の空気または液体の環境の雲母そしてシリコン基板でコロイド nanoparticles (普通直径 5-30nm が付いている金のコロイド) を、正確にそして確実に置くための方法を開発しました。 実験はおよそ 13.0 N/m および共鳴頻度のばねの定数の三角に形づけられたケイ素の片持梁を使用して CP 研究 AFM n^-1TappingMode とおよそ 340 の kHz 行なわれました。 これらの比較的堅い片持梁は機械に押す最もよい結果を示しました。

金の nanoparticles の処理は LMR のグループの NanoMove のソフトウェアの利用によって行われました。 ソフトウェアは器械に処理を可能にするために複数の一義的な機能を追加します。 NanoMove は X-Y 計画のあらゆる任意の方向で 1) 制御にユーザーに能力をフィードバック操作、 2) 行います 1 ラインスキャンを与えます; そして 3) は処理とさまざまなシグナルを同時に得ます。

図 1 は NanoMove のユーザー・インターフェースを示します。 上部の右のメニューはイメージ投射および処理のための主制御および操作の Windows を示します。

図 1。 NanoMove のソフトウェアのユーザー・インターフェース。

地形の画像を記録した後、ユーザーは (左上の Windows の赤い矢を見て下さい) 処理の弾道を定めるために画像の矢を引くことができます。 矢は経路は粒子に集中することを走査線の方向そして長さを定め、 X および Y の方向のオペレータによって表示された地形が示すまで移動することができます。 2 つの棒は処理の」開始」および」端」ポイントが選ぶことができる AFM のための代わりとなる作動条件の範囲を示す走査線に沿って置かれます。 フィードバックは先端が粒子を渡ってスキャンする消え、望ましい側面位置に達した後切替えられます直前に (図 2) を見て下さい。

図 2. イメージ投射はフィードバック制御と起こります。 フィードバックを消すことは nanoparticle の機械に押すことを可能にします。

接触モードセットアップは粒子および構造 1 が根本的な表面に強く接続すれば処理したいと思えば推薦されます。 NanoMove のソフトウェアに複数の異なった処理のプロトコルがあります。 1 つはスキャンナーの間接動きとのプロトコルフィードバックのフィードバックのプロトコル、か a をスキャンナーの追加直接動きの有無にかかわらず、選ぶことができます。 これらの実験では、 TappingMode セットアップは nanoparticles が接触モードで正確に視覚化されます選択され、側面せん断力の存在によるイメージ投射の間にので取り替えられます。

表面の図 3 は 30nm 直径の nanoparticle の処理を、粒子 10nm ステップ適切な操作パラメータの使用によっての上で押すことができます示します。 ステップ高さおよび粒度は同じ順序であり、こうして実験は三次元構造の機械構築の方の第一歩です。

図 3。 矢によって明記される方向に沿う 10nm 高いステップに押されることの後の前に 30nm 金の粒子 (a) および (b)。 画像のサイズは両方とも 1μm x 0.5μm です。

ナノメーターのスケールにダウン状態になるとき macroscale で支配的である腕力は僅かになります。 AFMs は nanoscale の機械工を調査する機能を提供します。 見ることによってさまざまな先端は (例えば、振幅および偏向のシグナル) 信号を送り、処理操作の間に変更を分析して、処理のメカニズムを調査することは可能です。

一連のペーパーで LMR のグループは nanoparticle を押すことにかかわった AFM の処理現象を調査しました。 それらは先端が粒子に近づくが、粒子が移動しないと同時に先端が表面から遠くに比較的振動しているとき、振幅は減ることを観察しました。 先端が表面の近くに十分にあるとき、振動振幅はゼロに粒子が近づかれると同時に行きます。 DC の片持梁偏向は偏向がセットアップの片持梁および他のいろいろな特性のある特定のしきい値の扶養家族の上にある限り、ゼロ以外および粒子移動になります。 振動振幅および片持梁 DC の偏向の変更がリアルタイムの処理を監視するのに使用することができそれ以上のイメージ投射なしで正常である高い信頼度と確認して下さい。 調査は nanoparticles の処理が滑走とない圧延のメカニズムことをによって起こることを示しました。

Nanoparticles は 1) がそこにいろいろな特性 (例えば、金属の nanoparticles を、半導体かまたは磁気) 総合するための多くの知られていた方法であり、ので nanostructures のための魅力的なブロックです最新式は着実に改良しています; 2) 粒子に電子ビーム石版印刷のような競争の技術によってなされる対等なサイズの構造より均一サイズが (すなわち、より多くの monodisperse はあります) あります; そして 3) nanoparticles の任意の平面パターンは上で論議されるプロトコルを使用して nanomanipulation によって構築することができます。

AFM の処理は nanoparticles パターンの製造のためのツールである場合もあります。 図 4 は雲母の基板の任意に沈殿させた金の粒子の処理の例を示します。 15nm 直径の金の粒子は最初の任意位置から USC のロゴを形作るために押されました。

図 4。 押すことのシーケンスによって 「USC」のロゴパターンに変換された 15nm 金の球の任意パターンは命じます。

LMR の研究者はまたデータ記憶のために nanomanipulation を使用する可能性を調査しました。 図 5 は表面の nanoparticles の水平の列の ASCII 文字を符号化するパターンの構築を示します。 規則的な第 2 格子のノードの粒子の存在は 「0 として 「1」、および不在として解読されます」。 完全に読まれるパターンは符号化します 「LMR」。を 粒子に 15nm の直径があり、格子ノードは 100nm ピッチと間隔をあけられます。 実質の密度は 60 Gb/in の順序にあり、²小粒子およびより堅い間隔を使用して一桁上のこの密度を増加することは可能なはずです。 これは Tb/in に近づくエンティティを与えます²。 このデジタル記憶の技術は編集可能 NanoCD のための候補者です。 ただし、実用的であることができるように克服されなければならない障害があります。

図 5. は AFM との第 2 列を読むことによって a) nanobits の列で符号化された文字 「LMR」 ASCII および b) トレース得ました。

処理のアプローチは 3D 製造に拡張することができます。 LMR のグループは単一の nanoparticles の制御された処理によって 3D 構造の構築を示しました (図 6) を見て下さい。

図 6. ピラミッドの 3D 画像の投射は構造を好みます。 準備は 2 他の間で 30nm nanoparticle を押すことによって起こりました。

ただし、非対称的に整形機能の処理はより複雑です。 長さが金の nanorods が、 100nm 直径のおよび 10nm は LMR の研究者によって、細長い nanoobjects の処理を調査するのに使用されました (図 7) を見て下さい。

図 7。 4 つの金の nanorods の処理を表示する SFM の画像のシーケンス (500nm x 500nm スキャンサイズ)。 各画像の矢は次の画像の棒構成でその処理の方向に結果を示します: (a) 棒の最初の整理; (b) 「それに沿って 1" s の縦方向の軸線および 「2" の翻訳の処理の結果 acrossthis の軸線; (c) 元のオリエンテーションに関連する 45° によるすべての 4 本の棒の回転処理操作の結果。 黒いからの白への高さのスケールは 10nm です。

回転のない nanorod の翻訳の処理によっては先端が中心で nanorod に当る時はいつでもが起こります。 これらの実験では、押すことがこの軸線へされた横断だったときに押す方向が縦方向の軸線に沿ってよりあったときに棒を変換することは容易だったことが分られました。 これは (容易見つけることは棒の中心の) の幅を渡る高いポイントを棒であるのであります。 従って、縦方向の処理の結果は頻繁に横断処理により頻繁に変換および回転の組合せを引き起こす間、完全な変換でした。 棒の処理のこの情報は機能 nanostructure をアセンブルするために重要です。 棒が大体置かれた後幾分 nanorods が付いているそのような構造を構築することをので複雑にします; それに続く動きは nanorods の位置そして角度を両方指定しなければならないかもしれません。

前述のように、また AFM の先端が柔らかい材料を、ポリマー、 DNA のような、および nanotubes 切るか、または曲げるのに使用することができます。 図 8 は DNA のプラスミッドの切断操作を示します。 それは切断の結果が余りに粗いこと見ることができます。 よりよいアプローチは修正に厳密なサイトを選ぶために AFM のプローブと組み合わせて生物的サンプルを切るのに酵素を使用することです。 図 9 ショー nanotube を曲げる NanoMove 制御の下にある AFM の先端。

図 8。 プラスミッドを切る AFM の先端を使用して。

図 9。 nanotubes を曲げる AFM の先端を使用して。

また nanoparticles の処理が電子および光電子工学装置のプロトタイプを構築するのに使用することができます。 実際は、既存の nanoelectronic 装置の多数は要素を他の望ましい関係に置くか、または AFM の処理を使用するチャンスに頼りました。 単一電子トランジスターを作るのに例えば、 2 つの電極の間にトンネルを掘る間隔に nanoparticle を置くことが (ソースおよび下水管) 使用することができます (SET)。 図 10 はセットの構造のギャップに 2 つの粒子の処理の間に撮られた AFM の画像を示します。

図 10. は単一の電子トランジスター接続点に 2 つの金の粒子の処理で (SET)歩みます。

同じようなアプローチは別のプロトタイプシステムのために使用されました。 Caltech の LMR のグループそして Atwater のグループは 「plasmonic」導波管の製造で 100nm 蛍光乳液の粒子と鎖の端に鎖に互いからの等しい間隔にコロイド 30nm 直径の金の nanoparticles を、置くことによって協力しました。 目に見える範囲の波長のエネルギーは鎖の 1 つの端に金の粒子に注入され、鎖を通ってほぼフィールド効果の開発によって伝播します。 伝搬は乳液の球の蛍光性の観察によって検出されます。 導波管はまた金の nanostructures を製造するのに e ビーム石版印刷の使用によって組み立てることができますが構造の端に乳液の蛍光ビードを処理するために AFM の先端はまだ必要とされます (図 11 を見て下さい)。 従って、 AFM の処理の使用法はプロトタイプの構築のために重大です。 この nanowaveguide は調査されている波長 (何百もの nm) のための回折限界より小さい横断次元が大いにあるので一義的です。 それはまた同じ近隣の他の機械を刺激しないで個々の分子機械にライトを入れるのに役立つかもしれません。

図 11. Plasmonic の導波管: (a) plasmonic 導波管の設計図、 (b) e ビーム石版印刷によって製造される金の nanostructures の SEM の顕微鏡写真、および (c) 金の nanostructures のマトリックスの端に処理された乳液のビードの AFM の画像 (黄色い矢によって示される)。

解かれた nanoparticles のパターンが有用である場合もあるけれども多くのアプリケーションは特定の形の 「固体」 nanostructures を必要とします。 これらは適切に置かれ、リンクされた nanoparticles のグループ近づけることができます。 LMR のグループはリンクに複数のアプローチを調査しました。 第 1 はリンカに共有結合を使用します。 例えば、金の粒子は dithiols (両端に硫黄が付いている有機性分子) と接続することができます。 dithiols は化学接着剤として金およびサーブに自己組み立てます。 このアプローチの 2 つの等価異形暗号は示されました: 1) それらを置き、次にそれらをリンクするために dithiol の解決でサンプルを浸す粒子を沈殿させます; または 2) dithiols を加える、および次にリンクされた接触に粒子を処理する粒子を沈殿させます。 全く全体として dithiols によってリンクされる nanoparticles のグループを押すことは可能であることが分られました。 これらの結果は nanoscale (自身他のコンポーネントまたは基本的なブロックの小組立部品である) コンポーネントで階層的なアセンブリをのアセンブリのすなわち、構築示します。

またリンクへの第 2 アプローチは選択的な自己アセンブリを使用します。 追加材料は粒子でそれらが接続されるようになるまで沈殿します。 材料および実験条件は材料が粒子にないサンプルの余りにアセンブルすることを保障するために選ばれなければなりません。 例えば、金の nanoparticles のパターンは追加金の electroless 沈殿のためにテンプレートとして使用することができます (図 12 を見て下さい)。

表 12。 ワイヤー nanotemplate (中心) を形作るために任意に沈殿させるとして (去られる)、 13 の粒子₂の処理の後でそしてシードの解決の 5 分後に SiO の 8nm 金のコロイド粒子を (右の) 表示する SFM の画像 (1μm x 1μm スキャンサイズ)。

任意の幾何学の金ワイヤーは望ましい幾何学に最初に粒子を処理し、によって、液浸の時間のような、集中リンクすること、等 electroless 解決で特定のパラメータセットとサンプルの液浸によって構築することができます。

蛍光乳液の nanoparticles を接続するために焼結する第 3 アプローチによって検出される非常に最近使用。 粒子は最初に望ましいテンプレートを形作るために処理されます。 単一の nanostructure に粒子を一緒に溶かすテンプレートはそれから熱されます (図 13 を見て下さい)。

図 13。 3D nanostructure の構築を示す AFM の画像のシーケンス: a) 単一の粒子が島の上に」押される ` だった後 2ºC 10 分の 160 ± の焼結の後の処理の後の任意に沈殿させた粒子、 b)、 c)、 d)。

ある特定のアプリケーションのために nanocomponents が基板で固定であることを保障することは必要です。 これはまた選択的な自己アセンブリによってすることができます。 従って基板にアセンブルするが、ない粒子が使用される材料、薄層で粒子を埋め込みます。 LMR のグループはケイ素酸化物の層で最初沈殿の粒子によって埋め込み、それらを処理し、そしてシラン (ケイ素含んでいる基板にだけ接続する有機性分子原子を) の単一層を沈殿させ、そして最終的にシランの層を酸化させる粒子を示しました。 連続的な層が層にされた nanofabrication か LNF と呼出された nanoscale で提案された新しく急速なプロトタイピングの技術のための粒子を埋め込むのに使用されました (図 14 を見て下さい)。 三次元目的は nanoparticle の処理によって製造され、各層は表面が次の処理ステップのためのサポートとして役立った分子犠牲的な層の追加によって planarized。 犠牲的な層は最後の段階で除去されました。 従って、研究者は犠牲的な層を構築し、それらの上に金の nanoparticles を処理することは可能であることを示しました (図 15 を見て下さい)。

図 14。 SiO のマトリックスの nanoparticles の埋め込むプロシージャの図式的な₂概観。

図 15。 AFM の画像および対応するラインは 2 粒子の正常な構築、粒子」粒子」を 2" の上の 1" 押すことによる直立したコラムを表示することをスキャンします。 スキャンサイズは 600nm x 600nm あり、高さのスケールは黒いからの白へ 6nm です。