與 AFM Nanomanipulation 的 Nanorobotics 和 Nanostructure 形成

基本強制顯微鏡 (AFMs)為高分辨率想像和詳細表面描述特性是最常用的，但是，在他們的發明它被認可後他們可能也用於更改，配合與和控制 nanoscale 問題。 此的一個著名的早示例是 IBM 徽標寫與氙原子由唐 Eigler ` s 組在 IBM Almadén 研究中心。 在隆德大學的 Lars Samuelson 的組建議建立與更大，分子尺寸構件的納諾對象和裝配他們與 AFM 在四周情況是可能的。

在南加州大學的一個組 Aristides Requicha 和布魯斯 (LMR) 實驗室的分子機器人學的 Koel 帶領調查此途徑幾年。 他們的研究著重高級系統的發展編程的 AFM 作為一個知覺機器人和這些系統的應用對富挑戰性的 nanomanipulation 問題，例如 nanosystems 的大廈還原。

AFM 技巧可以通過不同的結構用於修改與毫微米解決方法的表面。 任務例如推進和拉或者剪切和縮進可以執行，并且 nanoscale 對象可以由 AFM 探測技巧機械上移動。 AFM 技巧可能擔當一個機器人現有量精密地確定納諾對象和裝配他們在計算機控制下。

然而 AFM 處理在機器人學方面提出一個有趣問題。 它可以被比作到一個機器人可移動 (即，直昇飛機) 映射地形和駕駛在它的通過使用仅高度雷達和推測航行法在大空間的不確定性面前。 這個 nanorobotic 系統包括擔當納諾工作臺安置將被操作的對象的基體 (類似於在 macrorobotics 世界的夾具); 打翻，服務掌握其他的探測和分子，并且功能作為抓爪或末端效應器; nanoassembly 化學製品和實際進程; nanoassembly 原始運算 (類似於巨大彙編運算请喜歡釘在漏洞插入); 利用的自集合方法與空間的不確定性交戰 (類似於在 macroworld 的機械標準); 編譯的 nanostructures 的硬件原始; 并且知覺解釋，行動計劃和操作的軟件 (即，驅動 AFM)。

LMR 研究員開發了準確和可靠確定的膠質 nanoparticles (典型地與直徑 5-30nm) 的金膠體方法在雲母和硅體，在自由流通的空氣或液體環境。 試驗做了與 CP 研究 AFM n TappingMode 使用有大約 13.0 N/m 和共鳴頻率彈簧常數的三角^-1被塑造的硅懸臂大約 340 kHz。 這些相對地僵硬的懸臂顯示了機械推進的最佳的結果。

金 nanoparticles 的處理通過使用 LMR 組的 NanoMove 軟件進行。 這個軟件添加幾個唯一功能到儀器啟用處理。 NanoMove在這個 X - Y 的計劃的所有任意方向產生這個用戶這個能力 1) 控制反饋運算， 2) 執行一線路掃描; 并且 3) 同時獲取多種信號與這張處理。

圖 1 顯示 NanoMove 用戶接口。 這個右上方菜單顯示想像和處理的主控制和運算視窗。

圖 1。 NanoMove 軟件用戶接口。

在記錄地勢圖像以後，這個用戶能畫在這個圖像的一個箭頭 (參見紅色箭頭在左上部視窗裡) 確定處理彈道。 這個箭頭指明掃描線的方向和長度，并且可以由 X 和 Y 方向的運算符移動，直到被顯示的地勢表明其路徑被集中在這個微粒。 二個棒確定沿著掃描線，顯示替代操作條件的範圍 AFM 的，這張處理」啟動」和」末端」點可以被選擇。 反饋被關閉，在這個技巧在這個微粒間之前瀏覽和在到達這個期望側向位置以後被切換 (參見圖 2)。

圖 2. 想像進行與反饋控制。 關閉反饋允許機械推進納米顆粒。

聯繫模式設置，萬一微粒和結構一要操作嚴格附有基礎表面，建議使用。 有在 NanoMove 軟件的幾個不同的處理協議。 一可能選擇任一反饋協議，有或沒有掃描程序的另外的直接移動或者 a 反饋在協議，與掃描程序的間接移動。 在這些實驗， TappingMode 設置被選擇了，因為 nanoparticles 不可能準確地是印象的在聯繫模式下和被替換在想像期間由於側向剪切力出現。

通過使用適當的運算參數，在表面的圖 3 顯示 30nm 直徑納米顆粒的處理，微粒可能甚而被推進 10nm 步驟。 步驟高度和顆粒大小是同一順序，并且因而這個實驗是往三維結構的機械建築的第一步。

圖 3。 在被推進的一個 30nm 金微粒以前 (a) 和 (b) 在沿箭頭表示的方向的一個 10nm 高步驟以後。 圖像範圍是兩 1μm x 0.5μm。

當斷開毫微米縮放比例時是統治的在這個大規模的體力變得微不足道。 AFMs 提供這個能力學習 nanoscale 的技工。 通過查看多種技巧在處理運算時發信號 (即，高度和偏折信號)，并且分析更改，學習這張處理的結構是可能的。

在一系列的文件 LMR 組學習了在推進納米顆粒介入的 AFM 處理現象。 他們注意到，當這個技巧遠離表面時相對地擺動，這個高度減少，當這個技巧處理這個微粒，但是這個微粒不移動。 當這個技巧充分地是接近表面時，振動高度去到零，當這個微粒處理。 只要偏折在這個設置的懸臂式和各種各樣的特性的某一閾值受撫養者上 DC 懸臂式偏折成為非零和微粒移動。 在振動高度和懸臂式 DC 偏折上的變化在實時可以用於監控處理，并且，不用進一步想像请驗證與它是成功的高信心。 研究向顯示 nanoparticles 的處理進行通過下滑和不由滾結構。

Nanoparticles 是 nanostructures 的有吸引力的構件即，因為 1) 那裡是綜合的 nanoparticles 許多已知的方法與各種各樣的特性 (金屬，半導體或者磁性)，并且科技目前進步水平不斷地改善; 2) 微粒有更加統一的範圍 (即，比競爭的技術做的可比較的範圍結構是更多 monodisperse) 例如電子射線石版印刷; 并且 3) nanoparticles 的任意平面模式可以由 nanomanipulation 建立使用討論的協議以上。

AFM 處理可以是為 nanoparticles 模式的製造的一個工具。 圖 4 顯示在雲母基體的任意地存款金微粒的處理的示例。 15nm 直徑金微粒從一個最初的任意位置被推進形成 USC 徽標。

圖 4。 被轉換成 「USC」徽標模式被順序推進 15nm 金球的一個任意模式命令。

LMR 研究員也研究了使用 nanomanipulation 的可能性數據存儲的。 圖 5 顯示輸入在 nanoparticles 水平的行的 ASCII 字符在表面的模式的建築。 一個微粒的出現在正常第 2 網格的節點的解釋作為 「1」，和其缺勤作為 「0」。 這個模式，從頂向下讀輸入 「LMR」。 微粒有 15nm 直徑，并且網格節點空間與 100nm 間距。 這個實際密度是大約 60 个 Gb/in²使用更小的顆粒和更加嚴密的間隔，并且增加此密度在數量級應該是可能的。 這將產生處理 Tb/in 的實體²。 此數字存儲技術是編輯可能的 NanoCD 的一名候選人。 然而，有必須克服為了它能是實用的阻礙。

圖 5. a) 在 nanobits 行 「LMR」 ASCII 輸入的字符和 b) 跟蹤通過讀與 AFM 的第二行獲得了。

處理途徑可以延伸到 3D 製造。 LMR 組由唯一 nanoparticles 的受控處理展示了 3D 結構的建築 (參見圖 6)。

圖 6. 3D 金字塔的圖像投影喜歡結構。 這個準備通過推進 30nm 納米顆粒進行了在二其他之間。

然而，不對稱形狀的功能的處理是更加複雜的。 LMR 研究員用於長度金 nanorods、直徑的 100nm 和 10nm 學習瘦長的 nanoobjects 的處理 (參見圖 7)。

圖 7。 SFM 圖像順序 (500nm x 500nm 掃描範圍) 顯示四金 nanorods 的處理的。 在每個圖像的箭頭在下個圖像的標尺配置顯示該處理的方向結果： (a) 標尺的最初的排列; (b) 平移處理的結果 「1" 沿它 s 縱向軸和 「2" acrossthis 軸; (c) 所有四把標尺的旋轉的處理運算的結果由 45° 的，相對他們的原始取向。 從黑色的高度縮放比例到白色是 10nm。

一 nanorod 的平移處理沒有循環的進行，每當這個技巧擊中 nanorod 在其中心。 在這些實驗，發現轉換標尺是更加容易的，當這個推進的方向是沿這個縱向軸比，當推進執行的橫向對此軸。 這是，因為找出在的是標尺的中心) 的寬度的高峰標尺間 (是容易的。 所以，當橫向處理經常導致轉換和循環時的組合縱向處理的結果經常是理想的轉換。 關於標尺處理的此信息對裝配一功能 nanostructure 是重要。 在標尺大致確定後，它有些將複雜化建立與 nanorods 的這樣結構，因為; 隨後的移動可能必須指定 nanorods 的位置和角度。

如上所述， AFM 技巧可能也用於削減或彎曲軟的材料，例如聚合物，脫氧核糖核酸和 nanotubes。 圖 8 顯示脫氧核糖核酸質粒的剪切運算。 能被看見剪切結果是太粗糙的。 一個更好的途徑將使用酵素剪切這個生物範例與 AFM 探測的組合為修改選擇這個確切的站點。 圖 9 顯示在彎曲 nanotube 的 NanoMove 控制下的 AFM 技巧。

圖 8。 使用剪切 AFM 的技巧質粒。

圖 9。 使用彎曲 AFM 的技巧 nanotubes。

nanoparticles 的處理可能也用於建立電子和光電子設備還原。 實際上，許多現有的 nanoelectronic 設備在與其他的期望關係依靠機會安置要素或使用了 AFM 處理。 例如，安置納米顆粒在挖洞距離在二個電極之間 (來源和流失) 可以用於做單一電子晶體管 (SET)。 圖 10 顯示在二個微粒處理時被採取到集結構的空白的 AFM 圖像。

圖 10. 在二個金微粒的處理跨步到一個唯一電子晶體管 (SET)連接點。

一個相似的途徑為另一原型系統使用了。 LMR 組和 Atwater 組在加利福尼亞理工學院在生產合作了 「plasmonic」波導通過安置膠質 30nm 直徑金 nanoparticles 在等於距離從彼此在鏈子，與 100nm 螢光乳汁微粒在這個鏈子結束時。 在一個波長的能源在這個可視範圍被注射到金微粒在這個鏈子的一個末端，并且通過這個鏈子繁殖通過利用近域作用。 觀察乳汁球的熒光檢測傳送。 波導可能也被修建通過使用 e 射線石版印刷製造金子 nanostructures，但是 AFM 技巧仍然必要操作乳汁螢光小珠到這個結構的末端 (參見圖 11)。 所以， AFM 處理的用量為還原的建築是關鍵的。 此 nanowaveguide 是唯一的，因為它小於被學習的波長的 (數百衍射極限有橫向維數 nm)。 它可能也服務提供光到各自的分子設備，无需激發其他設備在同一個鄰里。

圖 11. Plasmonic 波導： (a) plasmonic 波導的概要， (b) e 射線石版印刷被製造的金子 nanostructures SEM 微寫器和 (c) 被操作對金子 nanostructures 矩陣的末端乳汁小珠的 AFM 圖像 (指示由黃色箭頭)。

雖然被解開的 nanoparticles 的模式可以是有用的，許多應用要求 「特定形狀固定的」 nanostructures。 這些可以由組適當地確定的和鏈接的 nanoparticles 接近。 LMR 組調查幾個途徑對鏈接。 第一使用共價接合對連接器。 例如，金微粒可以用 dithiols (與硫磺的有機分子連接在兩個末端)。 dithiols 自彙編對這次金子和作為化工膠漿。 此途徑二個變形被展示了： 1) 存款微粒，確定他們，然後浸沒範例在 dithiol 解決方法鏈接他們; 或者 2) 存款微粒，應用 dithiols，然後操作微粒到鏈接的聯絡。 發現推進整體上 dithiols 鏈接的一個組 nanoparticles 的確是可能的。 這些結果展示分層結構集合在 nanoscale (即，要素裝配的建築，是他們自己其他要素子裝配件或原始構件)。

對也鏈接的第二個途徑使用有選擇性的自集合。 另外的材料在微粒存款，直到他們變得連接。 必須選擇材料和試驗條件保證材料聚集對微粒，但是不對這個範例的餘數。 例如，金 nanoparticles 的模式可以使用作為模板為另外的金子的無電的證言 (參見圖 12)。

表 12。 (1μm x 1μm 掃描範圍) 顯示 8nm 在 SiO 的 SFM 圖像金膠質微粒₂作為任意地存款 (離開)，在十三個微粒的處理以後形成電匯 nanotemplate (中心) 和在種子解決方法的 5 分鐘以後 (正確)。

任意幾何金電匯可以通過首先操作微粒到期望幾何然後鏈接他們編譯由這個範例的浸沒在這個無電的解決方法與特定參數設置，例如浸沒時間，濃度，等等。

第三個途徑銲接被發現的非常最近的用途連接螢光乳汁 nanoparticles。 微粒首先被操作形成一塊期望模板。 然後加熱這塊模板，一起熔化微粒到一唯一 nanostructure (參見圖 13)。

圖 13。 AFM 圖像順序顯示 3D nanostructure 的建築的： a) 任意地存款微粒， b) 在處理以後， c) 在銲接在 160 ± 2ºC 以後 10 分鐘， d)，在一個唯一微粒是 ` 被推進』在這個海島頂部後。

對於某些應用保證是必要的 nanocomponents 是固定的在這個基體。 這可能由有選擇性的自集合也完成。 聚集對這個基體，但是沒有微粒沒有使用的材料，因而埋置微粒在薄層。 LMR 組展示了埋置在氧化硅層由第一個存款的微粒和操作他們，然後存款硅酮 (仅附有這個基體) 的一個有機分子的單層包含硅原子和終於氧化硅酮層的微粒。 連續的層用於埋置一個提出的新的迅速原型技術的微粒在 nanoscale，稱層狀極小製作或 LNF (參見圖 14)。 三維對象由納米顆粒處理製造，并且每塊層通過添加頂面起技術支持作用對於下個處理步驟的一塊分子犧牲層 planarized。 犧牲層在最後一步被去除了。 因此，研究員顯示出，是可能的建立犧牲層和操作金 nanoparticles 在他們頂部 (參見圖 15)。

圖 14。 nanoparticles 埋置的程序的概要視圖在 SiO₂矩陣的。

圖 15。 AFM 圖像和對應的線路瀏覽顯示二微粒的成功的建築，挺直列通過推進微粒」 1" 在微粒」 2" 頂部。 掃描範圍是 600nm x 600nm，并且高度縮放比例是從黑色的 6nm 到白色。