Nanorobotics och Nanostructure Bildande med AFM Nanomanipulation

Atom- styrkamikroskop (AFMs) används oftast för avbilda med hög upplösning, och specificerat ytbehandla karakteriseringen, men snart, efter deras uppfinning det kändes igen att de kunde också vara van vid ändring, påverka varandra med och kontrollera nanoscalematerien. Ett välkänt tidig sortexempel av detta var IBM logoen som var skriftlig med Xenonatoms av gruppen för UniversitetslärareEigler ` s på den IBM Almadén Forskningscentrat. Den Lars Samuelsons gruppen på Universitetar av Lund föreslogg att hon skulle är möjligheten som ska byggas nano-anmärker med större, molekylär-storleksanpassade byggande kvarter och monterar dem med en AFM i omgivande villkorar.

En grupp på Universitetar av Sydliga Kaliforniens Laboratorium för Molekylär Robotics (LMR) som är hövdad vid Aristides Requicha och Bruce Koel, har utforskat denna att närma sig under flera år. Deras forskning fokuserade på utvecklingen av hög nivåsystem för att programmera en AFM som en sensorisk robot och applikationen av dessa system till utmanas nanomanipulationproblem, liksom byggnadsprototyper för nanosystems.

En AFM-spets kan användas via olik mekanism för att ändra ytbehandlar med nanometerupplösning. Uppgifter liksom driftigt och att dra eller bita och inryckning kan utföras, och nanoscale anmärker kan vara mekaniskt rörd vid AFM-sondspetsen. AFM-spetsen kan serven, som ett robotic räcker exakt för att placera nano-anmärker och monterar dem under datoren kontrollerar.

AFM-behandlig poserar ett intressant problem i robotics, emellertid. Den kan likeneds till en mobil robot (e.g., en helikopter) som kartlägger en terrain och navigerar över den, genom att använda endast höjdradar och död räkenskap i närvaroen av stora rumsliga osäkerheter. Det nanorobotic systemet inkluderar substrates som serven som nano-workbenches, som att förlägga anmärker för att behandlas på (motsvarande till fast tillbehör i macroroboticsvärlden); tippar, sonder och molekylar som serven till fattningsförmågan andra, och fungerar som gripare eller avsluta-effectors; kemiskt och läkarundersökningen bearbetar nanoassembly; för urinnevånare funktioner nanoassembly (som är motsvarande till macroassemblyfunktionsnågot liknande, fixera-i-spela golfboll i hål införingar); metoder för att exploatera själv-enheten för att bekämpa rumslig osäkerhet (som är motsvarande till mekanisk överensstämmelse i macroworlden); maskinvaruurinnevånarear för byggande nanostructures; och programvara för sensorisk tolkning, vinkar att planera och att agera (dvs. och att köra AFMEN).

LMR-forskarna framkallade metoder för att placera colloidal nanoparticles (typisk guld- colloids med diametrar 5-30nm) exakt, och pålitligt på mica, och silikonsubstrates, i omgivande luftar eller vätskemiljöer. Experimenten förades med enForskning AFM n TappingMode genom att använda trekantigt formade silikoncantilevers med en fjädrakonstant av ungefärligt 13,0 N/m^-1och en resonansfrekvens omkring 340 kHz. Dessa görar fiasko förhållandevis cantilevers visade de bäst resultaten för mekaniskt driftigt.

Behandlig av de guld- nanoparticlesna utfördes, genom att använda LMR-grupp den NanoMove programvaran. Programvaran tillfogar flera unika särdrag till instrumentera för att möjliggöra behandlig. NanoMove ger användaren kapaciteten till 1) kontrollera återkopplingsfunktionen, 2) utför en-fodrar bildläsningar i någon godtycklig riktning i det X-Y planerar; och 3) få olikt signalerar samtidigt med behandligen.

Figurera shows 1 som den NanoMove användaren har kontakt. Den övre högra menyn visar att det huvudsakligt kontrollerar och funktionsfönstret för att avbilda och behandlig.

Figurera 1. Den NanoMove programvaruanvändaren har kontakt.

Når du har antecknat en topografi, avbilda, användaren kan dra en pil på avbilda (se den röda pilen i det övre vänstra fönstret), för att bestämma behandligstrajectoryen. Pildiktaten riktningen och längden av bildläsningen fodrar och kan vara rörda vid operatören i X- och Y-riktningen, tills den visade topografin indikerar att dess bana centreras över partikeln. Två bommar för placeras längs bildläsningen fodrar, visningen som spänna av alternativfungeringsen villkorar för AFMEN, var” starten” och” avslutar” pekar av behandligen kan vara utvald. Återkopplingen vänds av för precis spetsen avläser över partikeln, och kopplas tillbaka på når du har nett den önskade lateralen, placerar (se för att Figurera 2).

Figurera 2. att Avbilda äger rum med återkopplingen kontrollerar på. Roterande av återkopplingen låter det mekaniska driftigt av nanoparticlen.

Ett kontaktfunktionsläge ställer in rekommenderas i fall att partiklarna och strukturerar en önskar att behandla fästas starkt till det bakomliggande ytbehandlar. Det finns flera olika behandligsprotokoll i den NanoMove programvaran. En kan välja endera ett återkopplings-avprotokoll, med eller utan extra riktar rörelse av bildläsaren eller a återkoppling-på protokoll, med indirekt rörelse av bildläsaren. I dessa experiment ställer in TappingModen valdes, därför att nanoparticlesna inte kan avbildas exakt i kontaktfunktionsläge, och byts ut under att avbilda tack vare närvaroen av sidosaxstyrkor.

Figurera 3 shows behandligen av en nanoparticle för diameter 30nm, genom att använda anslåfunktionsparametrarna, partiklarna, kan även skjutas upp en 10nm kliver på ytbehandla. Klivahöjden och partikeln storleksanpassar är av samma beställer, och thus är experiment en första steg in mot mekanisk konstruktion av tredimensionellt strukturerar.

Figurera 3. En guld- partikel 30nm (a) för och (b) når den har skjutits över en kick 10nm kliver längs riktningen som indikeras av pilen. Avbilda storleksanpassar är båda 1μm x 0.5μm.

När du går besegra till nanometerfjäll, blir läkarundersökningstyrkorna, som är framträdande i macroscalen, försumbara. AFMs ger kapaciteten till studien mekanikerna i nanoscale. Genom att se, signalerar den olika spetsen (e.g., amplituden och avböjningen signalerar), under behandligsfunktionen, och analysera ändringarna, är det möjligheten till studien mekanismen av behandligen.

I en serie av legitimationshandlingar grupperar LMRNA utstuderat AFM-behandligsfenomenen som är involverade i driftigt en nanoparticle. De observerade att, när spetsen svänger förhållandevis långtifrån ytbehandla, amplitudminskningarna, som spetsen att närma sig partikeln men partikeln inte gör flyttningen. När spetsen är tillräckligt nästan ytbehandla, går vibrationsamplituden till nolla, som partikeln att närma sig. DC-cantileveravböjningen blir icke-nollställd och partikelflyttningarna, så länge som avböjningen är ovanför en bestämd ingångsanhörig på cantileveren och olikt andra kännetecken av ställa in. Ändringarna i vibrationsamplitud- och cantileverDC-avböjning kan vara van vid övervakar behandligen i real-time, och, utan vidare att avbilda, verifiera med en kickgrad av förtroende som den är lyckad. Studierna visade att behandligen av nanoparticles äger rum genom att glida och inte vid en rullande mekanism.

Nanoparticles är attraktiva byggande kvarter för nanostructures därför att 1) det finns många bekant metoder för att synthesizing nanoparticles med en variation av kännetecken (e.g., metalliskt, semiconducting eller magnetiskt) och statlig - av - - konst förbättrar stadigt; 2) partiklarna har mer enhetlig storleksanpassar (, är dvs. mer monodisperse), än strukturerar av jämförbart storleksanpassar gjort, genom att konkurrera tekniker liksom, elektron-strålar lithography; och 3) godtyckligt planar mönstrar av nanoparticles kan byggas av nanomanipulation genom att använda protokollen som över diskuteras.

AFM-behandlig kan vara en bearbeta för fabriceringen av nanoparticles mönstrar. Figurera 4 shows ett exempel av behandlig av på måfå satte in guld- partiklar på en micasubstrate. De guld- partiklarna för diametern 15nm sköts från ett initialt slumpmässigt placerar för att bilda USC-logoen.

Figurera 4. Ett slumpmässigt mönstrar av guld- 15nm klumpa ihop sig som konverterades in i ”den USC-” logoen mönstrar vid en ordna av driftigt befaller.

De utstuderade LMR-forskarna också möjligheten av att använda nanomanipulationen för datalagring. Figurera 5 shows konstruktionen av en mönstra som kodar ASCII-tecken i horisontal ror av nanoparticles på en ytbehandla. Närvaroen av en partikel på en knutpunkt av ett 2D raster för stamgäst tolkas som ”en 1,” och dess frånvaro som ”en 0.”, Mönstra, läst från vertikalt kodar ”LMR.”, Partiklarna har diametrar av 15nm, och rasterknutpunkterna göras mellanslag med en grad 100nm. Den verkliga tätheten är på beställa av 60 Gb/in, ²och det bör vara möjligheten till förhöjning denna täthet by över en beställa av storlek genom att använda mindre partiklar och mer åtsittande göra mellanslag. Skulle Detta ger enheter som att närma sig Tben/in². Denna teknik för digital lagring är en kandidat för en redigerbara NanoCD. Emellertid finns det hinder som måste vara betagna för att det ska vara praktiska.

Figurera 5. a,) som Teckenen ”LMR” ASCII kodade in ror av nanobits, och b) tracen erhållande av läsning understödja ror med en AFM.

Behandligen att närma sig kan fördjupas till fabriceringen 3D. LMR-gruppen visade konstruktionen av en 3D strukturerar vid kontrollerad behandlig av singelnanoparticles (se för att Figurera 6).

Figurera 6. 3D avbildar projektion av en pyramidnågot liknande strukturerar. Förberedelsen ägde rum vid driftigt en nanoparticle 30nm upp mellan två andra.

Emellertid är behandligen av asymmetrically formade särdrag försvårad. Guld- nanorods, 100nm i längd och 10nm i diameter, användes av LMR-forskarna till studien behandligen av långsträckt nanoobjects (se för att Figurera 7).

Figurera 7. En ordna av SFM avbildar (500nm x 500nm-bildläsningen storleksanpassar), visa behandligen av fyra guld- nanorods. Pilarna i varje avbildar show som den behandligsriktningen resultat i stångkonfigurationen i det nästa avbildar: (a) Initial ordning av stängerna; resultat (b) av translational behandligar av ”1" längs det den longitudinal axeln för s och ”2" acrossthisaxeln; resultat (c) av rotationsbehandligsfunktioner allra fyra stänger vid 45°, släkting till deras original- riktning. Höjdfjäll från svart till vit är 10nm.

Translational behandlig av en nanorod utan rotation äger rum, när som helst spetsen slår nanoroden på dess centrerar. I dessa experiment fanns det att det var lättare att översätta stängerna, då den driftiga riktningen var längs den longitudinal axeln än då driftigt var gjort transverse till denna axel. Detta är, därför att det är lätt att lokalisera det högst pekar över bredden av stången (som är centrera av stången). Därför var resultatet av longitudinal behandlig görar perfekt ofta översättningsstunder som transverse behandlig orsakade ofta en kombination av översättningen och rotation. Denna information på stångbehandlig är viktig för montering av en funktionell nanostructure. Den ska försvåras något för att bygga sådan strukturerar med nanorods, därför att, efter stängerna har ungefärligt placerats; följande förehavanden kan måste att specificera både placerar och metar av nanorodsna.

Som nämnt över, kan en AFM-spets också vara van vid mjuka material för snitt eller för krökning, liksom polymrer, DNA och nanotubes. Figurera 8 shows den bita funktionen av DNA-plasmiden. Det kan ses att det bita resultatet är för grovt. Ett bättre att närma sig skulle är att använda enzym för att klippa det biologiskt tar prov i kombination med en AFM-sond för att välja avkrävaplatsen för ändringen. Figurera 9 shows en AFM-spets som är under NanoMove kontrollerar att böja en nanotube.

Figurera 8. Använda en AFM-spets för att klippa plasmiden.

Figurera 9. Använda en AFM-spets till krökningnanotubes.

Behandlig av nanoparticles kan också vara van vid byggandeprototyper av elektroniska och optoelectronic apparater. I faktum har många av de existerande nanoelectronic apparaterna endera relied på för att riskera för att förlägga en beståndsdel i det önskade förhållandet med andra eller för att ha använt AFM-behandlig. Till exempel och att förlägga en nanoparticle på att gräva distanserar mellan två elektroder (källan och avrinningen) kan vara van vid gör enelektron transistor (SET). Figurera 10 shows som AFM avbildar, som togs under behandligen av två partiklar in i ett mellanrum av en UPPSÄTTNING strukturerar.

Figurera 10. Kliver i behandligen av två guld- partiklar in i en föreningspunkt för singelelektron (SET)transistor.

Ett liknande att närma sig användes för ett annat prototypsystem. LMR-gruppen och den Atwater gruppen på Caltech samarbetade på fabriceringen av ”en plasmonic” waveguide, genom att förlägga den colloidal diametern 30nm som guld- nanoparticles på jämliket distanserar från varje annan i en kedja, med en fluorescerande partikel för latex 100nm på avsluta av kedja. Energi på en våglängd i det synligt spänner injiceras in i den guld- partikeln på en avslutar av kedja och fortplantar till och med kedja, genom att exploatera, near-sätter in verkställer. Förökningen avkänns, genom att observera fluorescencen av latexen, klumpa ihop sig. Waveguiden kan också konstrueras, genom att använda, e-strålar lithography för att fabricera guld- nanostructures, men AFM-spetsen är fortfarande nödvändig att behandla den fluorescerande latexen pryder med pärlor till avsluta av strukturera (se för att Figurera 11). Därför är användningen av AFM-behandligen avgörande för konstruktionen av prototypen. Denna nanowaveguide är unik, därför att den har transverse dimensionerar mycket mindre, än diffractionen begränsar för våglängderna (hundratals nm) som är utstuderade. Den kan också serven att mata lätt till den molekylära individen bearbetar med maskin utan spännande annan bearbetar med maskin i den samma grannskapen.

Figurera 11. Plasmonic waveguide: (a) Schematiskt av en plasmonic waveguide, e-strålar micrographs för SEM 2000 (b) av lithography fabricerade guld- nanostructures, och (c) avbildar AFM av en latex pryder med pärlor (markerat av den gula pilen) som behandlades till avsluta av den guld- nanostructuresmatrisen.

Mönstrar Though av unlinked nanoparticles kan vara användbart, många applikationer kräver ”fasta” nanostructures av närmare detalj formar. Dessa kan approximeras av grupper av passande placerade och anknöt nanoparticles. LMR-gruppen utforskade flera att närma sig till att anknyta. Första använder covalent bindning till en linker. Till exempel kan guld- partiklar förbindas med dithiols (organiska molekylar med svavel på båda avslutar). Dithiolsna själv-monterar till det guld- och serven, som kemiskt limma. Två variants av denna att närma sig visades: 1) sätta in partiklarna och att placera dem och därefter att fördjupa ta prov i dithiollösningen för att anknyta dem; eller 2) sätta in partiklarna och att applicera dithiolsna och behandling därefter av partiklarna in i anknuten kontakt. Det fanns att det är sannerligen möjligheten som skjuter en grupp av nanoparticles som i sin helhet anknytas av dithiols. Dessa resultat visar den hierarkiska enheten på nanoscalen (dvs., konstruktionen av enheter av delar, som är sig själv monteringsgrupper av andra delar eller av primitiva byggande kvarter).

Understödja att närma sig till att anknyta också använder den selektiva själv-enheten. Extra materiellt sättas in på partiklarna, tills de blir förbindelse. Det materiellt och det experimentellt villkorar måste vara utvalda att se till att det materiellt monterar till partiklarna men inte till resten av ta prov. Till exempel kan en mönstra av guld- nanoparticles användas som en mall för den electroless avlagringen av extra guld- (se för att Figurera 12).

Bordlägga 12. SFM avbildar (den 1μm x 1μm bildläsningen storleksanpassar), visa guld- colloidal partiklar 8nm på SiO₂som på måfå satt in (lämnat), efter behandlig av trettonpartiklar som bildar en bindananotemplate (centrera) och efter 5 har noterat i den kärna ur lösningen (rätt).

Guld- binder av godtycklig geometri kan byggas, genom först att behandla partiklarna in i den önskade geometrin och därefter att anknyta dem vid immersionen av ta prov i den electroless lösningen med en specifik uppsättning av parametrar, liksom immersiontid, koncentration, och så framåt.

En third att närma sig upptäckt mycket för en tid sedan bruk som sintrar för att förbinda fluorescerande latexnanoparticles. Partiklarna behandlas först för att bilda en önskad mall. Mallen värmas som därefter tillsammans smälter partiklarna in i en singelnanostructure (se för att Figurera 13).

Figurera 13. Ordna av AFM avbildar visning konstruktionen av en nanostructure 3D: noterar deponerade partiklar för a) på måfå, b) efter behandlig, c) når de har sintrat på 160 ± 2ºC för 10, D), efter en singelpartikel har varit ` som överst skjuts' av ön.

Med säkerhet applikationer är det nödvändigt att se till att nanocomponents fixas på substraten. Detta kan också göras av den selektiva själv-enheten. Ett materiellt, som monterar till substraten, men inte partiklarna används, bädda in således partiklarna i ett tunt lagrar. LMR-gruppen visade partikeln som bäddar in i ett silikonoxidlagrar av första sätta in partiklar och behandlar dem, då sätter in en monolayer av en silane (en organisk molekyl som innehåller silikonatoms som fäster endast till substraten) och oxiderar slutligen silanelagrar. På Varandra Följande lagrar var van vid bäddar in partiklar för en föreslagen ny forprototypingteknik på nanoscalen som kallades i lager nanofabrication eller LNF (se för att Figurera 14). Tredimensionellt anmärker fabricerades av nanoparticlebehandlig, och varje lagrar planarized, genom att tillfoga ett molekylärt sacrificial lagrar vars bästa ytbehandla tjänat som som service för nästa bearbeta kliver. De sacrificial lagrarna togs bort i en final kliver. Således visade forskarna att det är möjligheten som bygger sacrificial lagrar och som överst behandlar guld- nanoparticles av dem (se för att Figurera 15).

Figurera 14. Schematiskt beskåda av det bäddande in tillvägagångssättet av nanoparticles i en SiO₂matris.

Figurera 15. AFM avbildar, och motsvara fodra bildläsningar som visar den lyckade konstruktionen av enpartikel, upprätt kolonn vid driftig partikel” 1" överst av partikel” 2". Bildläsningen storleksanpassar är 600nm x 600nm, och höjdfjäll är 6nm från svart till vit.