Образование Nanorobotics и Nanostructure с AFM Nanomanipulation

Атомные микроскопы усилия (AFMs) наиболее часто использованы для воображения высок-разрешения и детализированной поверхностной характеризации, но скоро после того как их вымысел оно что они смогли также быть использованы для того чтобы изменить, взаимодействовать с, и проконтролировать дело nanoscale. Известный предыдущий пример этого был логосом IBM написанным с атомами Ксенона группой ` s Дон Eigler на Исследовательскийа Центр IBM Almadén. Группа Lars Samuelson на Университете Лунда предложила что будет возможно построить nano-предметы с большим, молекулярн-определит размер строительные блоки и собирает их с AFM в внешних условиях.

Группа на Университете Лаборатории Южного Калифорнии для Молекулярного во главе с Aristides Requicha и Брюс Koel Робототехники (LMR) расследует этот подход на несколько лет. Их исследование сфокусировало на развитии высокопоставленных систем для программировать AFM как сензорный робот, и применении этих систем к трудный проблемам nanomanipulation, как прототипы здания для nanosystems.

Подсказку AFM можно использовать через различные механизмы для того чтобы доработать поверхности с разрешением нанометра. Задачи как нажимать и вытягивать или вырезывание и выделять можно выполнить, и предметы nanoscale могут механически быть двинуты подсказкой зонда AFM. Подсказка AFM может служить как робототехническая рука точно расположить nano-предметы и собрать их под управлением компьютера.

Манипуляция AFM представляет интересную проблему в робототехнике, однако. Ей можно уподоблять к передвижному роботу (например, вертолету) отображая местность и проводя над ей путем использование только радиолокатора высоты и навигационного счисления в присутствии к большим пространственный неопределенностям. Nanorobotic система включает субстраты которые служят как nano-workbenches на которых установить предметы, котор нужно манипулировать (аналогично к приспособлениям в мире macrorobotics); наклоняет, зонды, и молекулы которые служят схватить другие, и действует как grippers или конц-effectors; процессы химиката и медицинского осмотра nanoassembly; примитива деятельности nanoassembly (аналогичные к деятельностям macroassembly полюбите вводы шпеньк-в-отверстия); методы для эксплуатировать собственн-агрегат для того чтобы сразить пространственную неопределенность (аналогичную к механически соответствию в macroworld); примитивы оборудования для строя nanostructures; и ПО для сензорных толкования, запланирования движения, и действовать (т.е., управляющ AFM).

Исследователя LMR начали методы для располагать коллоидные nanoparticles (типично коллоиды золота с диаметрами 5-30nm) точно и надежно на субстраты слюды и кремния, в окружающем воздухе или окружающих средах жидкости. Эксперименты были дирижированы с CP-Исследованием AFM n TappingMode используя триангулярно сформированные cantilevers кремния с константой весны приблизительно 13,0 N/m^-1и частоты резонанса вокруг 340 КГц. Эти относительно жесткие cantilevers показали самые лучшие результаты для механически нажимать.

Манипуляция nanoparticles золота была выполнена путем использовать ПО NanoMove группы LMR. ПО добавляет несколько уникально характеристик к аппаратуре для того чтобы включить манипуляцию. NanoMove дает пользователю способность к 1) управлению деятельность обратной связи, 2) выполняет одн-линию развертки в любом произвольном направлении в X-Y плане; и 3) приобретает различные сигналы одновременно с манипуляцией.

На Диаграмму 1 показано пользовательский интерфейс NanoMove. Верхнее правое меню показывает окно основного управляющего воздействия и деятельности для воображения и манипуляции.

Диаграмма 1. Пользовательский интерфейс ПО NanoMove.

После записывать изображение топографии, пользователь может нарисовать стрелку на изображении (см. красную стрелку в верхнем левом окне) для того чтобы определить траекторию манипуляции. Стрелка диктует направление и длину линии развертки, и может быть двинута оператором в направлении X и Y до тех пор пока показанная топография не будет показывать что свой путь центризован над частицой. 2 адвокатского сословия расположены вдоль линии развертки, показывая ряд альтернативных условий operating для AFM, где пункты» старта» и» конца» манипуляции можно выбрать. Обратная связь повернута как раз перед подсказка просматривает через частицу, и переключена назад дальше после достижения пожеланного бокового положения (см. Диаграмму 2).

Диаграмма 2. Воображение осуществляет с управлением с обратной связью дальше. Поворачивать обратную связь позволяет механически нажимать nanoparticle.

Настроение режима контакта порекомендовано в случае если частицы и структуры одно хотят манипулировать сильно прикреплены к основной поверхности. Несколько различных протоколов манипуляции в ПО NanoMove. Одно может выбрать любо протокол обратной связи-, с или без дополнительного сразу движения блока развертки, или a обратн-на протоколе, с косвенным движением блока развертки. В этих экспериментах, настроение TappingMode было выбрано потому что nanoparticles не могут быть imaged точно в режиме контакта, и заменено во время воображения должного к присутсвию боковых усилий ножниц.

На Диаграмму 3 показано манипуляцию nanoparticle диаметра 30nm путем использование соотвествующих параметров деятельности, частицы можно даже нажать вверх по шагу 10nm на поверхности. Высота шага и размер частицы такого же заказа, и таким образом эксперимент первый шаг к механически конструкции трехмерных структур.

Диаграмма 3. Частица золота 30nm (a) раньше и (b) после быть нажатым над высоким шагом 10nm вдоль направления показанного стрелкой. Размеры Изображения оба 1μm x 0.5μm.

Идя вниз к маштабу нанометра физические усилия которые доминантны в макромасштабе будут незначительными. AFMs обеспечивает способность изучить механиков в nanoscale. Путем смотреть различная подсказка сигнализирует (например, амплитуда и сигналы отклонения) во время деятельности манипуляции и анализирующ изменения, возможно изучить механизм манипуляции.

В ряду бумаг группа LMR изучила явления манипуляции AFM, котор включили в нажимать nanoparticle. Они наблюдали что когда подсказка осциллирует относительно далеко от поверхности, амплитуда уменьшает по мере того как подсказка причаливает частице но частица не двигает. Когда подсказка достаточно близко к поверхности, амплитуда вибрации идет до нул по мере того как частица причалена. Отклонение DC консольное будет безнулевым, и движением частицы, покуда отклонение над одним иждивенцем порога на консольном и различно другие характеристики настроения. Изменения в амплитуде вибрации и консольном отклонении DC можно использовать для того чтобы контролировать манипуляцию в реальное временя, и без более дальнеишего воображения подтвердите с высокой степенью доверия которая оно успешно. Изучения показали что манипуляция nanoparticles осуществляет путем сползать и не механизмом завальцовки.

Nanoparticles привлекательные строительные блоки для nanostructures потому что 1) там много известных методов для синтезировать nanoparticles с разнообразие характеристиками (например, металлическо, semiconducting, или магнитно) и современное устойчиво улучшает; 2) частицы имеют более равномерные размеры (т.е., больше monodisperse) чем структуры соответствующих размеров сделанных путем состязаясь методы как литографирование луча электронов; и 3) произвольные плоскостные картины nanoparticles могут быть построены nanomanipulation используя протоколы обсуженные выше.

Манипуляция AFM может быть инструментом для изготовления картин nanoparticles. На Диаграмму 4 показано пример манипуляции случайно депозируемых частиц золота на субстрате слюды. Частицы золота диаметра 15nm были нажаты от начального случайного положения для того чтобы сформировать логос USC.

Диаграмма 4. Случайная картина шариков золота 15nm которая была преобразована в картину логоса «USC» последовательностью нажимать управляет.

Исследователя LMR также изучили возможность использования nanomanipulation для хранения данных. На Диаграмму 5 показано конструкцию картины которая шифрует характеры ASCII в горизонтальных рядках nanoparticles на поверхности. Присутсвие частицы на узле регулярн 2D решетки интерпретировано как «1,» и свое отсутствие как «0.» Картина, прочитала сверху донизу шифрует «LMR.» Частицы имеют диаметры 15nm, и узлы решетки размечены с тангажом 100nm. Реальная плотность на заказе 60 Gb/in²и должно быть возможно увеличить эту плотность мимо над порядком величины используя более малые частицы и более плотное дистанционирование. Это дало бы реальности причаливая Tb/in². Этот метод цифрового хранения выбранный для editable NanoCD. Однако, препоны которые необходимо отжать для его для того чтобы быть практически.

Диаграмма 5. a) Характеры «LMR» ASCII зашифрованные в рядках nanobits, и b) след получил путем читать второй рядок с AFM.

Подход к манипуляции можно расширить к изготовлению 3D. Группа LMR продемонстрировала конструкцию структуры 3D контролируемой манипуляцией одиночных nanoparticles (см. Диаграмму 6).

Диаграмма 6. проекция изображения 3D пирамидки любит структура. Подготовка осуществила путем нажимать nanoparticle 30nm вверх между 2 другими.

Однако, манипуляция несимметрично форменных характеристик более осложнена. Nanorods Золота, 100nm в длине и 10nm в диаметре, были использованы исследователями LMR для того чтобы изучить манипуляцию вытянутых nanoobjects (см. Диаграмму 7).

Диаграмма 7. Последовательность изображений SFM (размер 500nm x развертки 500nm) показывая манипуляцию 4 nanorods золота. Стрелки в каждом изображении показывают направлению манипуляции тому результаты в конфигурации штанги в следующем изображении: (a) Начальное расположение штаног; результат (b) поступательных манипуляций «1" вдоль его ось s продольная и «2" ось acrossthis; результаты (c) вращательных деятельностей манипуляции всех 4 штаног 45°, по отношению к их первоначально ориентации. Масштаб высоты от черной к белизне 10nm.

Поступательная манипуляция nanorod без вращения осуществляет когда подсказка ударяет nanorod на своем центре. В этих экспериментах, было найдено что было легке перевести штанги когда нажимая направление находилось вдоль продольной оси чем когда нажимать был сделанные поперечными к этой оси. Это потому что легко обнаружить местонахождение высшую точку через ширину штанги (которая центр штанги). Поэтому, результат продольной манипуляции был часто совершенным переводом пока поперечная манипуляция часто причиняла перевод и вращение сочетание из. Эта информация на манипуляции штанги важна для собирать функциональное nanostructure. Она несколько будет осложнена для того чтобы построить такие структуры с nanorods, потому что после того как штанги грубо будут расположены; последующие движения могут определить и положение и угол nanorods.

Как упомянуто выше, подсказку AFM можно также использовать для того чтобы отрезать или согнуть мягкие материалы, как полимеры, ДНА, и nanotubes. На Диаграмму 8 показано деятельность вырезывания плазмиды ДНА. Ее можно увидеть что результат вырезывания слишком груб. Более лучший подход был бы использовать энзимы для того чтобы отрезать биологический образец в комбинации с зондом AFM для того чтобы выбрать точное место для изменения. Диаграмма 9 выставки подсказка AFM которая управлял NanoMove nanotube.

Диаграмма 8. Используя подсказку AFM для того чтобы отрезать плазмиду.

Диаграмма 9. Используя подсказку AFM для того чтобы согнуть nanotubes.

Манипуляцию nanoparticles можно также использовать для того чтобы построить прототипы электронных и электронно-оптический приборов. В действительности, много из существующих nanoelectronic приборов или полагались на шансе установить элемент в пожеланном отношении с другими или использовать манипуляцию AFM. Например, устанавливать nanoparticle на расстояниях прокладывать тоннель между 2 электродами (источник и сток) можно использовать для того чтобы сделать транзистор одиночн-электрона (SET). На Диаграмму 10 показано изображения AFM которые были приняты во время манипуляции 2 частиц в зазор структуры КОМПЛЕКТА.

Диаграмма 10. Шагает в манипуляцию 2 частиц золота в одиночное соединение транзистора (SET) электрона.

Подобный подход был использован для другой системы прототипа. Группа LMR и группа Atwater на Caltech сотрудничали на изготовлении «plasmonic» волновода путем устанавливать коллоидные nanoparticles золота диаметра 30nm на равных расстояниях от одина другого в цепи, с дневной частицей латекса 100nm в конце цепи. Энергия на длине волны в видимом ряде впрыснута в частицу золота на одном конце цепи, и распространяет через цепь путем эксплуатировать влияния близко-поля. Распространение обнаружено путем наблюдать флуоресцированием шарика латекса. Волновод может также быть построен путем использование литографирования e-луча для того чтобы изготовить nanostructures золота, но подсказка AFM все еще необходима для того чтобы манипулировать шарик латекса дневной к концу структуры (см. Диаграмму 11). Поэтому, использование манипуляции AFM критическое для конструкции прототипа. Это nanowaveguide уникально потому что оно имеет поперечные размеры гораздо малее чем предел огибания для длин волны (сотни nm) которые изучаются. Оно может также служить подать свет к индивидуальным молекулярным машинам без возбуждать другие машины в таком же районе.

Диаграмма 11. волновод Plasmonic: (a) Схема plasmonic волновода, (b) микрорисунки SEM nanostructures золота e-луча изготовленных литографированием, и (c) изображение AFM шарика латекса (маркированного желтой стрелкой) который был манипулирован к концу матрицы nanostructures золота.

Хотя картины unlinked nanoparticles могут быть полезны, много применений требуют «твердых» nanostructures специфических форм. Эти могут быть приближены группами в составе подходяще расположенные и соединенные nanoparticles. Группа LMR расследовала несколько подходов к соединять. Первое использует ковалентный выпуск облигаций к линкеру. Например, частицы золота можно соединиться с dithiols (органическими молекулами с серой на обоих концах). Dithiols собственн-собирают к золоту и подаче как химический клей. 2 варианта этого подхода были продемонстрированы: 1) депозирующ частицы, располагая их, и после этого погружая образец в разрешении dithiol для того чтобы соединить их; или 2) депозирующ частицы, прикладывая dithiols, и после этого манипулируя частицы в соединенный контакт. Было найдено что деиствительно возможно нажать группу в составе nanoparticles соединенные dithiols в целом. Эти результаты демонстрируют иерархический агрегат на nanoscale (т.е., конструкции агрегатов компонентов, которые сами подсистемы других компонентов или примитивных строительных блоков).

Второй подход к соединять также использует селективный собственн-агрегат. Присадочный материал депозирован на частицах до тех пор пока они не будут быть соединенными. Материал и экспириментально условия необходимо выбрать для того чтобы обеспечить что материал собирает к частицам но не к остатку образца. Например, картину nanoparticles золота можно использовать как шаблон для химического способа получения покрытия дополнительного золота (см. Диаграмму 12).

Таблица 12. Изображения SFM (размер развертки 1μm x 1μm) показывая коллоидные частицы золота 8nm на SiO₂как случайно депозировано (выйдено), после манипуляции 13 частиц для того чтобы сформировать nanotemplate провода (центр), и после 5 минут в осеменяя разрешении (правом).

Проводы Золота произвольной геометрии могут быть построены сперва манипулировать частицы в пожеланную геометрию и после этого соединять их погружением образца в electroless разрешении с специфическим комплектом параметров, как время погружения, концентрация, и прочее.

Третьим пользы открынные подходом очень недавно спекая для того чтобы соединить дневные nanoparticles латекса. Частицы сперва манипулированы для того чтобы сформировать пожеланный шаблон. Шаблон после этого нагрет, плавя частицы совместно в одиночное nanostructure (см. Диаграмму 13).

Диаграмма 13. Последовательность изображений AFM показывая конструкцию nanostructure 3D: частицы a) случайно депозируемые, b) после манипуляции, c) после спекать на 160 ± 2ºC на 10 минут, d) после того как одиночная частица ` нажатое' na górze острова.

Для некоторых применений необходимо обеспечить что nanocomponents фикчированы на субстрате. Это может также быть сделано селективным собственн-агрегатом. Материал который собирает к субстрату но не частицы использованы, таким образом врежущ частицы в тонком слое. Группа LMR продемонстрировала частицу врежа в слое окиси кремния первыми депозируя частицами и манипулируя их, тогда депозируя монослой силана (органической молекулы содержа атомы кремния которая прикрепляется только к субстрату), и окончательно окисляя слой силана. Последовательные слои были использованы для того чтобы врезать вызванные частицы для предложенного нового быстрого метода прототипирования на nanoscale, наслоенным nanofabrication или LNF (см. Диаграмму 14). Трехмерные предметы были изготовлены манипуляцией nanoparticle, и каждый слой был planarized путем добавлять молекулярный жертвенный слой поверхность которого верхняя служила как поддержка для следующего обрабатывая шага. Жертвенные слои извлеклись в заключительном шаге. Таким Образом, исследователя продемонстрировали что возможно построить жертвенные слои и манипулировать nanoparticles золота na górze их (см. Диаграмму 15).

Диаграмма 14. Схематический взгляд врежа процедуры nanoparticles в матрице₂SiO.

Диаграмма 15. Изображения AFM и соответствуя линия просматривают показ успешной конструкции 2-частицы, чистосердечной колонки путем нажимать частицу» 1" na górze частицы» 2". Размер развертки 600nm x 600nm, и масштаб высоты 6nm от черной к белизне.