Nanorobotics en Vorming Nanostructure met AFM Nanomanipulation

De Atoom krachtmicroscopen worden (AFMs) het vaakst gebruikt voor high-resolution weergave en gedetailleerde oppervlaktekarakterisering, maar spoedig na hun uitvinding men erkende dat zij ook konden worden gebruikt om te veranderen, in wisselwerking te staan met, en nanoscale kwestie controleren. Een bekend vroeg voorbeeld van dit was het embleem van IBM dat met de atomen van het Xenon door Don Eigler ` s Groep op het Onderzoekscentrum van IBM wordt geschreven Almadén. Lars Samuelson groep bij de Universiteit van Lund stelde voor het mogelijk zou zijn om nano-voorwerpen met grotere, moleculair-gerangschikte bouwstenen te bouwen en hen te assembleren met een AFM in omringende voorwaarden.

Een groep bij de Universiteit van het Laboratorium van Zuidelijk Californië voor Moleculaire Robotica (LMR) leidde door Aristides Requicha en Bruce Koel has onderzoekend deze benadering verscheidene jaren. Hun onderzoek concentreerde zich op de ontwikkeling van systemen op hoog niveau om een AFM als sensorische robot, en de toepassing van deze systemen aan de uitdaging van nanomanipulationproblemen te programmeren, zoals de bouw van prototypen voor nanosystems.

Een uiteinde AFM kan via verschillende mechanismen worden gebruikt om oppervlakten met nanometerresolutie te wijzigen. De Taken zoals het duwen en het trekken of het snijden en het kartelen kunnen worden uitgevoerd, en nanoscale kunnen de voorwerpen mechanisch door het AFM sondeuiteinde worden bewogen. Het uiteinde AFM kan als robotachtige hand dienen om nano-voorwerpen precies te plaatsen en hen te assembleren onder computercontrole.

De manipulatie AFM geeft een interessant probleem in robotica, nochtans. Het kan met een mobiele robot die (b.v., een helikopter) een terrein in kaart brengen en worden vergeleken over het navigeren door slechts hoogteradar en dode rekening in aanwezigheid van grote ruimteonzekerheden te gebruiken. Het nanorobotic systeem omvat substraten die als nano-werkbanken dienen waarop om de te manipuleren voorwerpen te plaatsen (analoog aan inrichtingen in de macroroboticswereld); uiteinden, sondes, en molecules die dienen om anderen te begrijpen, en als tangen of end-effectors functioneren; chemische en fysieke nanoassembly processen; primitieve nanoassembly analoge verrichtingen (aan macroassembly verrichtingen zoals pin-in-gat toevoegingen); methodes om zelf-assemblage te exploiteren om ruimte analoge onzekerheid (aan mechanische naleving in macroworld) te bestrijden; hardware primitieven voor de bouwnanostructures; en software voor sensorische interpretatie, motie planning, en acteren die (d.w.z., AFM drijven).

De onderzoekers LMR ontwikkelden methodes om colloïdale nanoparticles (typisch gouden colloïden met diameters 530nm) en betrouwbaar op mica en siliciumsubstraten, in omringende lucht of vloeibare milieu's nauwkeurig te plaatsen. De experimenten werden geleid met een CP-Onderzoek AFM n TappingMode gebruikend triangularly gevormde siliciumcantilevers met de lente constant van ongeveer 13.0 N/m^-1en een resonantiefrequentie rond kHz 340. Deze vrij stijve cantilevers toonden de beste resultaten voor het mechanische duwen.

De Manipulatie van gouden werd nanoparticles uitgevoerd door de software van NanoMove van de groep te gebruiken LMR. De software voegt verscheidene unieke eigenschappen aan het instrument toe om manipulatie toe te laten. NanoMove geeft de gebruiker de capaciteit aan 1) controleer terugkoppelen verrichting, 2) voer één-lijn aftasten in om het even welke willekeurige richting in het X-Y plan uit; en 3) verwerf gelijktijdig diverse signalen met de manipulatie.

Figuur 1 het gebruikersinterface NanoMove toont. Het hogere juiste menu toont het belangrijkste controle en verrichtingsvenster voor weergave en manipulatie.

Figuur 1. Het NanoMove softwaregebruikersinterface.

Na het registreren van een topografiebeeld, kan de gebruiker een pijl op het beeld (zie de rode pijl in het hogere linkervenster) trekken om de manipulatiebaan te bepalen. De pijl dicteert de richting en de lengte van de aftastenlijn, en kan door de exploitant in de richting van X worden bewogen en van Y tot de getoonde topografie erop wijst dat zijn weg meer dan het deeltje gecentreerd is. Twee bars worden geplaatst volgens de aftastenlijn, die de waaier van alternatieve werkende voorwaarden voor AFM tonen, waar de“ begin“ en“ eind“ punten van de manipulatie kunnen worden geselecteerd. Koppel wordt uitgezet vlak vóór het uiteindeaftasten over het deeltje, en wordt weer aangezet na het bereiken van de gewenste zijpositie terug (zie Figuur 2).

Figuur 2. De Weergave vindt met plaats terugkoppelt controle. Uitzetten koppelt toestaat het mechanische duwen van nanoparticle terug.

Een opstelling van de contactwijze wordt geadviseerd voor het geval dat de deeltjes en structureert één wil manipuleren is sterk in bijlage aan de onderliggende oppervlakte. Er zijn verscheidene verschillende manipulatieprotocollen in de software NanoMove. Men kan of een protocol, met of zonder extra directe beweging van de scanner, of een terug:koppelen- protocol, met indirecte beweging van de scanner terug:koppelen-weg selecteren. In deze experimenten, werd de opstelling TappingMode gekozen omdat nanoparticles niet nauwkeurig op contactwijze kunnen imaged zijn, en tijdens weergave toe te schrijven aan de aanwezigheid van zijscheerbeurtkrachten vervangen.

Figuur 3 toont de manipulatie van een 30nm diameter nanoparticle door de aangewezen verrichtingsparameters te gebruiken, kunnen de deeltjes zelfs een 10nm stap op de oppervlakte worden verhoogd. De staphoogte en de deeltjesgrootte zijn van de zelfde orde, en zo is het experiment een eerste stap naar mechanische bouw van driedimensionele structuren.

Figuur 3. Een 30nm gouden deeltje (a) vóór en (b) na wordt geduwd over een 10nm hoge stap langs de richting die door de pijl wordt vermeld. De grootte van het Beeld is beide 1μm x 0.5μm.

Wanneer het dalen naar de nanometerschaal de fysieke krachten die in de macroschaal dominant zijn worden te verwaarlozen. AFMs verstrekt de capaciteit om de werktuigkundigen in nanoscale te bestuderen. Door diverse uiteindesignalen (b.v., de omvang en de afbuigingssignalen) tijdens de manipulatieverrichting te bekijken en de veranderingen te analyseren, is het mogelijk om het mechanisme van de manipulatie te bestuderen.

In een reeks van documenten bestudeerde de groep LMR de AFM manipulatiefenomenen betrokken bij het duwen van een nanoparticle. Zij merkten op dat wanneer het uiteinde vrij verre van de oppervlakte oscilleert, de omvang vermindert aangezien het uiteinde het deeltje nadert maar het deeltje zich beweegt niet. Wanneer het uiteinde voldoende dicht bij de oppervlakte is, gaat de trillingsomvang naar nul aangezien het deeltje is genaderd. De de cantileverafbuiging van GELIJKSTROOM wordt non-zero, en de deeltjesbewegingen, zolang de afbuiging boven een bepaalde drempel van de cantilever en de verschillende andere kenmerken van de opstelling afhankelijk is. De veranderingen in trillingsomvang en cantileverGELIJKSTROOM afbuiging kunnen worden gebruikt om de manipulatie in echt te controleren - de tijd, en zonder verdere weergave verifieert met een hoge graad van vertrouwen dat het succesvol is. De studies toonden aan dat de manipulatie van nanoparticles door te glijden en niet door een rollend mechanisme plaatsvindt.

Nanoparticles is aantrekkelijke bouwstenen voor nanostructures omdat 1) er zijn vele bekende methodes om nanoparticles met een verscheidenheid van kenmerken (b.v., metaal, semiconducting, of magnetisch) samen te stellen en het overzicht verbetert regelmatig; 2) de deeltjes hebben meer eenvormige grootte (d.w.z., is meer monodisperse) dan structuren van vergelijkbare grootte die door concurrerende technieken zoals elektron-straal lithografie wordt gemaakt; en 3) de willekeurige vlakpatronen van nanoparticles kunnen door nanomanipulation worden gebouwd gebruikend de hierboven besproken protocollen.

De manipulatie AFM kan een hulpmiddel voor de vervaardiging van nanoparticlespatronen zijn. Figuur 4 toont een voorbeeld van manipulatie van willekeurig gedeponeerde gouden deeltjes op een micasubstraat. De 15nm diameter gouden deeltjes werden van een eerste willekeurige positie geduwd om het embleem te vormen USC.

Figuur 4. Een willekeurig patroon van 15nm gouden ballen dat in het „USC“ embleempatroon door een opeenvolging van het duwen bevelen werd omgezet.

De onderzoekers LMR bestudeerden ook de mogelijkheid om nanomanipulation voor gegevensopslag te gebruiken. Figuur 5 toont de bouw van een patroon dat de karakters van ASCII in horizontale rijen van nanoparticles op een oppervlakte codeert. De aanwezigheid van een deeltje bij een knoop van een regelmatig 2D net wordt geïnterpreteerd als „1,“ en zijn afwezigheid als „0.“ Het patroon, las codeert van boven tot onder „LMR.“ De deeltjes hebben diameters van 15nm, en de netknopen worden uit elkaar geplaatst met een 100nm hoogte. De echte dichtheid is op de orde van 60 Gb/in²en het zou mogelijk moeten zijn om te verhogen deze dichtheid met over een grootteorde gebruikend kleinere deeltjes en vast uit elkaar plaatsend. Dit zou entiteiten geven die Tb/in naderen². Deze digitale opslagtechniek is een kandidaat voor een editable NanoCD. Nochtans, zijn er hindernissen die voor het moeten worden overwonnen praktisch om te zijn.

Figuur 5. a) Karakters „LMR“ ASCII dat in rijen van nanobits wordt gecodeerd, en B) het spoor dat door de tweede rij met een AFM wordt verkregen te lezen.

De manipulatiebenadering kan tot 3D vervaardiging worden uitgebreid. De groep LMR toonde de bouw van een 3D structuur door gecontroleerde manipulatie van enige nanoparticles (zie Figuur 6) aan.

Figuur 6. 3D beeldprojectie van een piramide zoals structuur. De voorbereiding vond door een 30nm nanoparticle tussen twee anderen plaats te verhogen.

Nochtans, is de manipulatie van asymmetrisch gestalte gegeven eigenschappen ingewikkelder. Het Goud nanorods, 100nm in lengte en 10nm in diameter, werden gebruikt door de onderzoekers LMR om de manipulatie van verlengd te bestuderen nanoobjects (zie Figuur 7).

Figuur 7. Een opeenvolging van beelden SFM die (500nm x 500nm aftastengrootte) de manipulatie van goud vier tonen nanorods. De pijlen in elk beeld tonen de manipulatierichting die in de staafconfiguratie in het volgende beeld resulteert: (a) Aanvankelijke regeling van de staven; (b) resultaat van vertalende manipulaties van „1“ langs het s longitudinale as en „2“ acrossthisas; (c) resultaten van rotatiemanipulatieverrichtingen van alle vier staven door 45°, met betrekking tot hun originele richtlijn. De hoogteschaal van zwart aan wit is 10nm.

De Vertalende manipulatie van een nanorod zonder omwenteling vindt plaats wanneer het uiteinde nanorod op zijn centrum raakt. In deze experimenten, vond men dat het gemakkelijker was om de staven te vertalen toen de het duwen richting langs de longitudinale as dan was bij het duwen transversaal aan deze as werd gedaan. Dit is omdat het gemakkelijk is om van het hoogste punt over de breedte van de staaf (die het centrum van de staaf is) de plaats te bepalen. Daarom was het resultaat van longitudinale manipulatie vaak perfecte vertaling terwijl de transversale manipulatie vaak een combinatie van vertaling en omwenteling veroorzaakte. Deze informatie bij de staafmanipulatie is belangrijk voor het assembleren van een functionele nanostructure. Het zal enigszins ingewikkeld zijn om dergelijke structuren met nanorods te bouwen, omdat na de staven ruwweg worden geplaatst; de verdere bewegingen kunnen zowel positie als hoek van nanorods moeten specificeren.

Zoals hierboven vermeld, kan een uiteinde AFM ook worden gebruikt om zachte materialen, zoals polymeren, DNA te snijden of te buigen, en nanotubes. Figuur 8 toont de scherpe verrichting van de plasmide van DNA. Men kan zien dat het knipselresultaat te ruw is. Een betere benadering zou enzymen te gebruiken zijn om de biologische steekproef in combinatie met een sonde te snijden AFM om de nauwkeurige plaats voor de wijziging te selecteren. Figuur 9 toont een uiteinde AFM dat onder controle NanoMove is die een nanotube buigen.

Figuur 8. Het Gebruiken van een uiteinde AFM om plasmide te snijden.

Figuur 9. Het Gebruiken van een te buigen uiteinde AFM nanotubes.

De Manipulatie van nanoparticles kan ook worden gebruikt om prototypen van elektronische en optoelectronic apparaten te bouwen. In feite, hebben veel van de bestaande nanoelectronic apparaten of zich op kans gebaseerd om een element in de gewenste verhouding met anderen te plaatsen of manipulatie AFM gebruikt. Bijvoorbeeld, kan het plaatsen van een nanoparticle bij het een tunnel graven afstanden tussen twee elektroden (bron en afvoerkanaal) worden gebruikt om een enig-elektronentransistor te maken (SET). Figuur 10 toont beelden AFM die tijdens de manipulatie van twee deeltjes in een hiaat van een VASTGESTELDE structuur werden genomen.

Figuur 10. Stappen in de manipulatie van twee gouden deeltjes in één enkele verbinding van de elektronen (SET)transistor.

Een gelijkaardige benadering werd gebruikt voor een ander prototypesysteem. De groep LMR en de groep Atwater in Caltech werkten op de vervaardiging van een „plasmonic“ golfgeleider samen door colloïdaal 30nm diametergoud nanoparticles bij gelijke afstanden van elkaar in een ketting te plaatsen, met een 100nm fluorescent latexdeeltje aan het eind van de ketting. De Energie bij een golflengte in de zichtbare waaier wordt ingespoten in het gouden deeltje aan de ene kant van de ketting, en verspreidt zich door de ketting door dichtbijgelegen-gebiedsgevolgen te exploiteren. De propagatie wordt ontdekt door de fluorescentie van de latexbal waar te nemen. De golfgeleider kan ook worden geconstrueerd door e-straal lithografie te gebruiken om gouden nanostructures te vervaardigen, maar het uiteinde AFM is nog nodig om de latex fluorescente parel aan het eind van de structuur (zie Figuur 11) te manipuleren. Daarom is het gebruik van de manipulatie AFM essentieel voor de bouw van het prototype. Dit nanowaveguide is uniek omdat het transversale afmetingen veel kleiner dan de diffractiegrens voor de golflengten (honderden NM) heeft die worden bestudeerd. Het kan ook dienen om licht aan individuele moleculaire machines te voeden zonder andere machines in de zelfde buurt op te wekken.

Figuur 11. De golfgeleider van Plasmonic: (a) het Schema van een plasmonic golfgeleider, (b) de micrografen van SEM van e-straal lithografie vervaardigde gouden nanostructures, en (c) het beeld van AFM van een latexparel (duidelijk door gele pijl) die aan het eind van de gouden nanostructuresmatrijs werd gemanipuleerd.

Hoewel de patronen van losgemaakt nanoparticles nuttig kunnen zijn, vereisen vele toepassingen „stevige“ nanostructures van specifieke vormen. Deze kunnen door groepen geschikt geplaatst en verbonden worden benaderd nanoparticles. De groep LMR onderzocht verscheidene benaderingen van aaneenschakeling. De eerste gebruikt het covalente plakken aan linker. Bijvoorbeeld, kunnen de gouden deeltjes aan dithiols (organische molecules met zwavel op beide einden) worden verbonden. Dithiols zelf-assembleren aan het goud en dienen als chemische lijm. Twee varianten van deze benadering werden aangetoond: 1) deponerend de deeltjes, plaatsend hen, en dan onderdompelend de steekproef in de dithioloplossing om hen met elkaar te verbinden; of 2) deponerend de deeltjes, toepassend dithiols, en dan manipulerend de deeltjes in verbonden contact. Men vond dat het inderdaad mogelijk is die een groep nanoparticles te duwen door dithiols wordt verbonden als geheel. Deze resultaten tonen hiërarchische assemblage bij nanoscale (d.w.z., de bouw van assemblage van componenten, die zelf deelverzamelingen van andere componenten of van primitieve bouwstenen is) aan.

De tweede benadering van het verbinden gebruikt ook selectieve zelf-assemblage. Het Extra materiaal wordt gedeponeerd op de deeltjes tot zij verbonden worden. De materiële en experimentele voorwaarden moeten worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat het materiaal aan de deeltjes maar niet aan de rest van de steekproef assembleert. Bijvoorbeeld, kan een patroon van goud nanoparticles als malplaatje voor het electroless deposito van extra goud (zie Figuur 12) worden gebruikt.

Lijst 12. Beelden SFM die (1μm x 1μm aftastengrootte) 8nm gouden colloïdale deeltjes op SiO tonen₂als willekeurig gedeponeerd (weggegaan), na manipulatie van dertien deeltjes om een draad te vormen nanotemplate (centrum), en na 5 minuten in de het zaaien (juiste) oplossing.

De Gouden draden van willekeurige meetkunde kunnen worden gebouwd door de deeltjes eerst te manipuleren in de gewenste meetkunde en dan hen te verbinden door onderdompeling van de steekproef in de electroless oplossing met een specifieke reeks parameters, zoals onderdompelingstijd, concentratie, enzovoort.

Een derde ontdekte benadering zeer gebruikt onlangs het sinteren om fluorescent latex te verbinden nanoparticles. De deeltjes worden eerst gemanipuleerd om een gewenst malplaatje te vormen. Het malplaatje wordt dan verwarmd, samen smeltend de deeltjes in één enkele nanostructure (zie Figuur 13).

Figuur 13. Opeenvolging van beelden AFM die de bouw van een 3D nanostructure tonen: a) deponeerde willekeurig deeltjes, B) na manipulatie, c) na het sinteren bij 160 ± 2ºC 10 minuten, D) nadat één enkel die deeltje `' bovenop het eiland wordt geduwd is.

Voor bepaalde toepassingen is het noodzakelijk om ervoor te zorgen dat nanocomponents op het substraat worden bevestigd. Dit kan ook door selectieve zelf-assemblage worden gedaan. Een materiaal dat aan het substraat maar niet de deeltjes assembleert wordt gebruikt, waarbij de deeltjes in een dunne laag worden ingebed. De groep LMR toonde deeltje aan inbeddend in een laag van het siliciumoxyde door eerste het deponeren deeltjes en het manipuleren van hen, dan het deponeren van monolayer van een silaan (een organische molecule die siliciumatomen bevat die slechts aan het substraat) vastmaakt, en definitief het oxyderen van de silaanlaag. De Opeenvolgende lagen werden gebruikt om deeltjes voor een voorgestelde nieuwe snelle prototyping techniek bij nanoscale in te bedden, genoemd gelaagde nanofabricatie of LNF (zie Figuur 14). De Driedimensionele voorwerpen werden vervaardigd door nanoparticlemanipulatie, en elke laag was planarized door een moleculaire offerlaag toe te voegen de waarvan hoogste oppervlakte als steun voor de volgende verwerkingsstap diende. De offerlagen werden verwijderd in een definitieve stap. Aldus, toonden de onderzoekers aan dat het mogelijk is om offerlagen te bouwen en goud nanoparticles bovenop hen (zie Figuur 15) te manipuleren.

Figuur 14. Schematische mening van de het inbedden procedure van nanoparticles in een matrijs₂SiO.

Figuur 15. Beelden AFM en overeenkomstig lijnaftasten die de succesvolle bouw van een twee-deeltje, rechte kolom door deeltje“ 1“ bovenop deeltje“ 2“ te duwen tonen. De aftastengrootte is 600nm x 600nm, en de hoogteschaal is 6nm van zwart aan wit.