AFM Nanomanipulation를 가진 Nanorobotics와 Nanostructure 대형

원자 군대 현미경은 (AFMs) 또한 변경하고, 상호 작용하고, nanoscale 사정을 통제하기 위하여 이용될 수 있었다는 것을 그들의 발명품이 그것 인식된 후에 고해상도 화상 진찰 및 상세한 지상 특성을 위해 자주 사용합니다, 그러나 빨리. 이것의 유명한 초기 보기는 IBM Almadén 연구소에 단 Eigler ` s 단에 의해 크세논 원자로 쓰여진 IBM 로고이었습니다. 룬드의 대학에 Lars Samuelson 단은 더 큰을 가진 nano 객체를 건설하는 것이 가능하, 빌딩 블록을 분자 치수를 재고 주위 조건에 있는 AFM에 조립한다는 것을 건의했습니다.

Aristides Requicha와 브루스 Koel가 이끌린 분자 로봇 공학 (LMR)를 위한 실험실 사우스 캘리포니아 대학에 단은 수년을 위한 이 접근을 조사하고 있습니다. 그들의 연구는 감각 로봇으로 AFM 프로그램을 위한 고도 시스템의 발달, 및 nanosystems를 위한 건물 시제품과 같은 도전적인 nanomanipulation 문제에 이 시스템의 응용에 집중했습니다.

AFM 끝은 다른 기계장치를 통해 나노미터 해결책을 가진 표면을 변경하기 위하여 이용될 수 있습니다. 밀고 당기고거나 절단 만입시기기와 같은 업무는 이행되골 nanoscale 객체는 AFM 탐사기 끝에 의해 기계적으로 수 있습니다. AFM 끝은 로봇식 손으로 정확하게 nano 객체를 두고 컴퓨터 통제의 밑에 조립하는 것을 봉사할 수 있습니다.

AFM 조작은 로봇 공학에 있는 흥미로운 문제를, 그러나 제기합니다. 그것은 이동할 수 있는 로봇 (예를들면, 헬기)에 항해하는 지형을 지도로 나타내고 고도 레이다와 죽은 계산만 사용해서 큰 공간 불확실의 면전에서 그것에 비유될 수 있습니다. nanorobotic 시스템은 조작될 객체를 두기 위하여 nano 작업대로 봉사하는 기질을 포함합니다 (macrorobotics 세계에 있는 정착물와 비슷한); , 탐사기 및 그 외를 장악하는 것을 봉사하는 분자 기울이고, 그리퍼 또는 최후 효과기로 작용합니다; 화학제품과 nanoassembly 물리 프로세스; macroassembly 작동와 비슷한 nanoassembly 프리미티브 작동 (나무못 에서 구멍 삽입을 좋아하십시오); 각자 집합 (macroworld에 있는 기계적인 수락와 비슷한) 공간 불확실에 대항하기 위하여 이용을 위한 방법; 건축 nanostructures를 위한 기계설비 프리미티브; 그리고 감각 해석, 움직임 계획, 및 작동을 위한 소프트웨어 (i.e, AFM를 몰기).

LMR 연구원은 대기 액체 환경에서 돌비늘 그리고 실리콘 기판에 콜로이드 nanoparticles (전형적으로 직경 5-30nm를 가진 금 교질)를, 정확하게 그리고 믿을 수 있 두기를 위한 방법을 개발했습니다. 대략 13.0 N/m 및 공명 주파수의 봄 불변의 것을 가진 삼각형으로 형성된 실리콘 외팔보를 사용하여 CP 연구 AFM n^-1TappingMode로 약 340 kHz 실험되었습니다. 이 상대적으로 뻣뻣한 외팔보는 기계적인 밀기를 위한 최고 결과를 보여주었습니다.

금 nanoparticles의 조작은 LMR 단의 NanoMove 소프트웨어를 이용해서 실행되었습니다. 소프트웨어는 계기에 몇몇 유일한 조작을 가능하게 하기 위하여 특징을 추가합니다. NanoMove에 의하여 X-Y 계획에 있는 어떤 임의 방향든지에 있는 1) 통제에 사용자에게 능력을 의견 작동, 2) 능력을 발휘합니다 1 선 검사가 줍니다; 그리고 3)는 조작으로 각종 신호를 동시에 취득합니다.

숫자 1은 NanoMove 사용자 인터페이스를 보여줍니다. 위 적당한 메뉴는 화상 진찰과 조작을 위한 메인 제어와 작동 Windows를 보여줍니다.

숫자 1. NanoMove 소프트웨어 사용자 인터페이스.

지세 심상을 기록한 후에, 사용자는 (좌측 위 Windows에 있는 빨간 화살을 보십시오) 심상에 조작 탄도를 결정하기 위하여 화살을 당길 수 있습니다. 화살은 그것의 경로는 입자에 중심에 있다는 것을 주사선의 방향 그리고 길이를 지시하고, X와 Y 방향에 있는 통신수에 의해 디스플레이하는 지세가 표시할 때까지 수 있습니다. 2개의 바는 조작의" 시작"와" 끝" 점이 선정될 수 있는 AFM를 위한 양자택일 작동 조건의 범위를 보여주는 주사선에 따라서 있습니다. 의견은 끝이 입자를 통해 검사하기 바로 전에 꺼지고, 요구한 옆 위치를 도달한 후에 후에 전환됩니다 위에 (숫자 2)를 보십시오.

숫자 2. 화상 진찰은 피드백 제어로 위에 일어납니다. 의견을 끄는 것은 nanoparticle의 기계적인 밀기 허용합니다.

접촉형 준비는 만일 입자 및 구조물 사람이 근본적인 표면에 강하게 붙어 있으면 조작하고 싶으면 추천됩니다. NanoMove 소프트웨어에 있는 몇몇 다른 조작 프로토콜이 있습니다. 1개는 스캐너의 간접적인 운동과 더불어 프로토콜의견 에 의견 떨어져 프로토콜, 또는 a를 스캐너의 추가 직접 운동의 유무에 관계없이, 선정할 수 있습니다. 이 실험에서는, TappingMode 준비는 nanoparticles가 접촉형에서 정확하게 imaged 이기 수 없기 때문에 선택되고, 옆 전단력의 존재 때문에 화상 진찰 도중 대체됩니다.

표면에 숫자 3은 30nm 직경 nanoparticle의 조작을, 입자 10nm 단계 적합한 작동 매개변수를 사용해서 높은 쪽으로 밀릴 조차 수 있습니다 보여줍니다. 단계 고도 및 입자 크기는 동일 명령의 이고, 이렇게 실험은 3차원 구조물의 기계적인 건축으로 처음 단계입니다.

숫자 3. 화살에 의해 표시되는 방향에 따라서 10nm 높은 단계에 밀리기 후에 전에 30nm 금 입자 (a)와 (b). 심상 규모는 두 1μm x 0.5μm다입니다.

나노미터 가늠자에 내려갈 때 거시에서 지배적인 완력은 사소하게 됩니다. AFMs는 nanoscale에 있는 기계공을 공부하는 기능을 제공합니다. 봐서 각종 끝은 (예를들면, 진폭 및 편향도 신호) 신호하고 조작 작동 도중 변경을 분석해서, 조작의 기계장치를 공부하는 것이 가능합니다.

일련의 종이에서 LMR 단은 nanoparticle를 밀기에서 관련시킨 AFM 조작 현상을 공부했습니다. 그(것)들은 끝이 입자에 접근하는 그러나 입자가 움직이지 않는 때 끝이 표면에서 멀리 상대적으로 전류를 고주파로 변환시킬 때, 진폭은 줄인다는 것을 관찰했습니다. 끝이 표면에 충분히 가깝게 있을 때, 진동 진폭은 0에 입자가 접근되는 때 갑니다. DC 공가 편향도는 편향도가 준비의 공가와 여러가지 다른 특성에 특정 문턱 종의 위 있을 한, 비제로 및 입자 움직임이 됩니다. 진동 진폭과 공가 DC 편향도에 있는 변경은 즉시에 있는 조작을 감시하기 위하여 이용될 수 있고, 추가 화상 진찰 없이 성공적인 높은 신뢰도로 검증하십시오. 연구 결과는 nanoparticles의 조작이 미끄러져서 회전 기계장치에 의하여 아닙니다 일어난다는 것을 보여주었습니다.

Nanoparticles는 1)가 거기 다양한 특성 (예를들면, 금속을 가진 nanoparticles, semiconducting, 또는 자석) 종합을 위한 많은 알려지기 방법이기 때문에 nanostructures를 위한 매력적인 빌딩 블록입니다 그리고 최신식은 꾸준히 향상하고 있습니다; 2) 입자에는 전자 光速 석판인쇄술과 같은 경쟁 기술로 한 대등한 규모의 구조물 보다는 더 획일한 규모가 (i.e, 추가 monodisperse는 입니다) 있습니다; 그리고 3) nanoparticles의 임의 평면 패턴은 상기 토론된 프로토콜을 사용하여 nanomanipulation에 의해 건설될 수 있습니다.

AFM 조작은 nanoparticles 패턴의 제작을 위한 공구일 수 있습니다. 숫자 4는 돌비늘 기질에 무작위로 예금한 금 입자의 조작의 보기를 보여줍니다. 15nm 직경 금 입자는 처음 무작위 위치에서 USC 로고를 형성하기 위하여 밀렸습니다.

숫자 4. 밀기의 순서에 의해 "USC" 로고 패턴으로 변환된 15nm 금 공의 무작위 패턴은 명령합니다.

LMR 연구원은 또한 자료 기억 장치를 위해 nanomanipulation 사용의 가능성을 공부했습니다. 숫자 5는 표면에 nanoparticles의 수평한 줄에 있는 ASCII 문자를 부호 매기는 패턴의 건축을 보여줍니다. 정규 제 2 격자의 마디에 입자의 존재는 "0으로 "1," 및 그것의 휴무로 해석됩니다." 처음부터 끝까지 읽힌 패턴은 부호 매깁니다 "LMR."를 입자에는 15nm의 직경이 있고, 격자 마디는 100nm 피치로 간격을 둡니다. 실제적인 조밀도는 60 Gb/in의 명령에 있고²소립자 및 더 단단한 간격을 사용하여 크기 순서에 이 조밀도를 곁에 증가시키는 것이 가능해야 합니다. 이것은 Tb/in에 접근하는 실재물을 줄 것입니다². 이 디지털 저장 기술은 편집 가능 NanoCD를 위한 후보자입니다. 그러나, 실제적이도록 극복되어야 하는 장애가 있습니다.

숫자 5.는 AFM를 가진 두번째 줄을 읽어서 아) nanobits의 줄에서 부호 매겨진 특성 "LMR" ASCII, 및 b) 자취 장악했습니다.

조작 접근은 3D 제작까지 미칠 수 있습니다. LMR 단은 단 하나 nanoparticles의 통제되는 조작에 의하여 3D 구조물의 건축을 설명했습니다 (숫자 6)를 보십시오.

숫자 6. 피라미드의 3D 심상 투상은 구조물을 좋아합니다. 준비는 2 그 외 사이에서 30nm nanoparticle를 위로 밀어서 일어났습니다.

그러나, 불균형으로 모양 특징의 조작은 더 복잡합니다. 길이의 금 nanorods, 100nm 직경에 있는 및 10nm는 LMR 연구원에 의해, 늘어나는 nanoobjects의 조작을 공부하기 위하여 이용되었습니다 (숫자 7)를 보십시오.

숫자 7. 4개의 금 nanorods의 조작을 디스플레이하는 SFM 심상의 순서 (500nm x 500nm 검사 규모). 각 심상에 있는 화살은 다음 심상에 있는 로드 윤곽에 있는 그 조작 방향에게 결과를 보여줍니다: (a) 로드의 처음 배열; (b) "그것에 따라서 1" s 경도 축선 및 "2"의 번역상 조작의 결과 acrossthis 축선; (c) 그들의 본래 오리엔테이션에 관련된 45°에 의하여 모든 4개의 로드의 회전 조작 작동의 결과. 까만에서 백색에 고도 가늠자는 10nm입니다.

교체 없는 nanorod의 번역상 조작에 의하여 끝이 그것의 센터에 nanorod를 명중하다 언제든지가 일어납니다. 이 실험에서는, 밀 것이 이 축선에 행해지는 통과할때 미는 방향이 경도 축선에 따라서 보다는 일 때 로드를 변환한다는 것은 것이 쉬웠다는 것은 것을 발견되었습니다. 이것은 (찾아내기 것은 쉽기 로드의 센터인)의 폭을 통해 중대한 시점을 로드 때문입니다. 그러므로, 경도 조작의 결과는 통과하는 조작이 수시로 번역과 교체의 조합을 일으키는 원인이 되는 동안 수시로 완벽한 번역이었습니다. 로드 조작에 이 정보는 기능적인 nanostructure 조립을 위해 중요합니다. 그것은 약간 로드가 대략 있던 후에, 때문에 nanorods를 가진 그 같은 구조물을 건설하기 위하여 복잡하게 될 것입니다; 연속적인 운동은 nanorods의 위치 그리고 각을 둘 다 지정해야 할 수 있습니다.

위에서 말한 바와 같이, AFM 끝은 또한 연약한 물자를 중합체 DNA와 같은, 그리고 nanotubes 삭감하거나 구부리기 위하여 이용될 수 있습니다. 숫자 8은 DNA 플라스미드의 절단 작동을 보여줍니다. 절단 결과가 너무 조악하다는 것을 보일 수 있습니다. 더 나은 접근은 효소를 AFM 탐사기와 조화하여 생물학 수정을 정확한 사이트를 선정하기 위하여 견본을 자르도록 이용하기 위한 것일 것입니다. 숫자 9 쇼 nanotube를 구부리는 NanoMove 통제의 밑에 있는 AFM 끝.

숫자 8. 플라스미드를 자르는 AFM 끝 사용하기.

숫자 9. nanotubes를 구부리는 AFM 끝 사용하기.

nanoparticles의 조작은 또한 전자와 광전자 공학 장치의 시제품을 건설하기 위하여 이용될 수 있습니다. 실제로, 기존 nanoelectronic 장치의 많은 것은 성분을 그 외를 가진 요구한 관계에 있는 두거나 AFM 조작을 사용하는 기회를 의지했습니다. 예를 들면, 2개의 전극 사이에서 터널을 파 거리에 nanoparticle를 두는 것은 (근원과 하수구) 단 하나 전자 트랜지스터를 만들기 위하여 이용될 수 있습니다 (SET). 숫자 10는 세트 구조물의 간격으로 2개 입자의 조작 도중 선택된 AFM 심상을 보여줍니다.

숫자 10.는 단 하나 전자 트랜지스터 접합으로 2개의 금 입자의 조작에서 (SET) 족답합니다.

유사한 접근은 다른 시제품 시스템을 위해 사용되었습니다. Caltech에 LMR 단 그리고 Atwater 단은 "plasmonic" 도파관의 제작에 100nm 형광성 유액 입자와 더불어 사슬의 끝에 사슬에서 서로에게서 동등한 거리에 콜로이드 30nm 직경 금 nanoparticles를, 두어서 공저했습니다. 눈에 보이는 범위에 있는 파장에 에너지는 사슬의 1개의 끝에 금 입자로 주사되고, 사슬을 통해서 가깝 필드 효력을 이용해서 전파합니다. 번식은 유액 공의 형광을 관찰해서 검출됩니다. 도파관은 또한 e 光速 금 nanostructures를 날조하기 위하여 석판인쇄술을 이용해서 구성될 수 있습니다, 그러나 AFM 끝은 아직도 구조물의 끝에 유액 형광성 구슬을 조작하기 위하여 필요로 합니다 (숫자 11를 보십시오). 그러므로, AFM 조작의 사용법은 시제품의 건축을 위해 결정적입니다. 이 nanowaveguide는 공부되고 있는 파장 (nm의 수백)를 위한 회절 한계 보다는 더 작은 통과하는 차원이 매우 있기 때문에 유일합니다. 그것은 또한 동일 인근에 있는 그밖 기계 흥분 없이 개별적인 분자 기계에 빛을 공급하는 것을 봉사할 수 있습니다.

숫자 11. Plasmonic 도파관: (a) plasmonic 도파관의 개략도, (b) e 光速 석판인쇄술에 의하여 날조되는 금 nanostructures의 SEM 현미경 사진, 그리고 (c) (노란 화살에 의해 표시되는) 금 nanostructures 매트릭스의 끝에 조작된 유액 구슬의 AFM 심상.

링크가 풀린 nanoparticles의 패턴이 유용할 수 있더라도, 많은 응용은 특정 모양의 "단단한" nanostructures를 요구합니다. 이들은 적당히 두고 연결한 nanoparticles의 단에 의해 접근될 수 있습니다. LMR 단은 연결에 몇몇 접근을 조사했습니다. 첫번째 링커에 공유 원자가 접합을 사용합니다. 예를 들면, 금 입자는 dithiols (두 끝 전부에 황을 가진 유기 분자와) 연결될 수 있습니다. dithiols는 화학 접착제로 금 및 서브에 각자 소집합니다. 이 접근의 2개의 이체는 설명되었습니다: 1) 그(것)들을 두고, 그(것)들을 연결하기 위하여 그 후에 dithiol 해결책에 있는 견본을 가라앉히는 입자 예금; 또는 2) dithiols를 적용하고는, 그리고 그 후에 연결된 접촉으로 입자를 조작하는 입자 예금. 실제로 전체로서 dithiols에 의해 연결된다는 것은 nanoparticles의 단을 민다는 것은 것이 가능하다는 것은 것을 발견되었습니다. 이 결과는 nanoscale (그들자신 그밖 분대 또는 원시적인 빌딩 블록의 국부결합인) 분대에 계층적인 집합을의 집합의 i.e, 건축 설명합니다.

또한 연결에 두번째 접근은 선택적인 각자 집합을 사용합니다. 추가 물자는 입자에 그(것)들이 연결해 될 때까지 예금됩니다. 물자 및 실험 상태는 물자가 입자에 그러나 견본의 나머지에 아닙니다 모인다는 것을 확인하기 위하여 선정되어야 합니다. 예를 들면, 금 nanoparticles의 패턴은 추가 금의 electroless 공술서를 위해 템플렛으로 이용될 수 있습니다 (숫자 12를 보십시오).

도표 12. 철사 nanotemplate (센터)를 형성하기 위하여 무작위로 예금하는으로 (떠나는), 13개 입자₂의 조작 후에, 그리고 (맞은) 시딩 해결책에 있는 5 분 후에 SiO에 8nm 금 콜로이드 입자를 디스플레이하는 SFM 심상 (1μm x 1μm 검사 규모).

임의 기하학의 금 철사는 요구한 기하학으로 첫째로 입자를 조작하고 침수 시간과 같은 사격량 연결해서, 등등 electroless 해결책에 있는 그 후에 특정 매개변수 세트와 견본의 침수에 의하여 건축될 수 있습니다.

제 3 의 형광성 유액 nanoparticles를 연결하기 위하여 소결하는 접근에 의하여 발견되는 아주 최근에 용도. 입자는 첫째로 요구된 템플렛을 형성하기 위하여 조작됩니다. 단 하나 nanostructure로 입자를 함께 녹는 템플렛은 그 때 가열됩니다 (숫자 13를 보십시오).

숫자 13. 3D nanostructure의 건축을 보여주는 AFM 심상의 순서: 아) 단 하나 입자가 섬의 위에' 밀린 `인 후에 2ºC 10 분 동안 160 ±에 소결 후에 조작 후에 무작위로 예금된 입자, b), c), d).

특정 응용을 위해 nanocomponents가 기질에 조정 이다는 것을 확인하는 것이 필요합니다. 이것은 또한 선택적인 각자 집합에 의해 행해질 수 있습니다. 기질에 모이는 그러나 입자가 아닙니다 이용되는 물자, 얇은 층에 있는 따라서 입자를 내재하기. LMR 단은 산화규소 층에서 첫번째 예금 입자에 의해 끼워넣고 그(것)들을 조작하고, 그 후에 실란 (실리콘 포함하는 기질에서만 붙이는 유기 분자 원자를)의 단층을 예금하고, 마지막으로 실란 층을 산화하는 입자를 설명했습니다. 계속되는 층은 층이 된 nanofabrication 또는 LNF에게 불린 nanoscale에 제시된 새로운 급속한 prototyping 기술을 위한 입자를 내재하기 위하여 이용되었습니다 (숫자 14를 보십시오). 3차원 객체는 nanoparticle 조작에 의해 날조되고, 각 층은 그의 윗 표면이 다음 처리 단계 위한 지원 역할을 하 분자 희생적인 층을 추가해서 planarized. 희생적인 층은 마지막 단계에서 제거되었습니다. 따라서, 연구원은 희생적인 층을 건설하고 그(것)들의 위에 금 nanoparticles를 조작하는 것이 가능하다는 것을 설명했습니다 (숫자 15를 보십시오).

숫자 14. SiO 매트릭스에 있는 nanoparticles의 끼워넣는 절차의 개요₂전망.

숫자 15. AFM 심상과 대응 선은 2 입자의 성공적인 건축, 입자" 입자"를 2"의 위에 1" 밀어서 강직한 란 디스플레이 검사합니다. 검사 규모는 600nm x 600nm 이고, 고도 가늠자는 까만에서 백색에 6nm입니다.