Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 179. Оптический наноманипулятор

равления потока фотонов (обладающего, как и все квантовые частицы, импульсом) возникает сила, сдвигающая пойманную частицу. Перемещая фокус луча, можно передвигать “пойман ные” нанообъекты или даже выстраивать из них разнообразные конструкции.

Лазерные лучи, гораздо более нежные чем механические «лапы» обычных манипуляторов, охотно применяют биологи для захвата клеток, молекул ДНК, хромосом и т.п.

В последнее время были созданы еще более замечательные оптические инструменты. Применяя специально подобранные линзы, инженеры формируют лучи с заданными свойствами – так называемые Бесселевы пучки. Силы в них действуют вдоль луча или с вращением вокруг его оси. Захватывая нанообъекты, эти пучки способны двигать их вдоль луча или вращать. В Са марском Институте систем обработки изображений группа под руководством Виктора Сойфера использовала пучки Бесселя, лазерный луч в которых закручивался в спираль при помощи специальных линз – дифракционно оптических элементов. Используя всего один такой элемент, удалось захватить, пере

мещать и медленно вра щать микроорганизмы дрожжей диаметром 5–10 микрон и частицы полис тирола. Ученые надеются, что при помощи этих тех нологий смогут работать приводы в наномеханиз мах будущего.

268

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

Тем временем американская военная компания Arryx соз дала специальный жидкий кристалл, разделяющий лазерный луч на 200 отдельно управляемых лучиков, каждый из которых может манипулировать нанообъектами. С помощью этой сис темы уже удалось аккуратно размещать нанотрубки на поверх ности чипа, что позволит строить сверхбыстрые наночипы.

Мы не раз уже говорили о сходстве природных и искус ственных наномашин. Раз они так похожи, то почему бы не пойти в создании наноманипуляторов еще одним путем: пой мать каких нибудь микробов и привлечь к труду – например, сборке нанодеталей. Именно к этму стремится американский ученый Роберт Хэймерс. Он уже научился манипулировать жи выми бактериями с помощью электромагнитного поля.

В опыте участвовали бактерии Bacillus mycoides. Они имеют форму прутка длиной 5 микронов и диаметром 800 нанометров. Бактерии поместили в водно глицериновый раствор, покрыва ющий кремниевый чип. На золотые электроды подали пере менное напряжение с частотой 1 МГц. В результате бактерии выстроились вдоль силовых линий электрического поля, каса ясь с двух сторон электродов. Микроорганизмы послужили своего рода нанопроводниками, пропуская небольшой ток, с помощью которого исследователи установили их местораспо ложение. Затем, создав медленный ток жидкости, исследовате ли смогли перемещать бактерии вдоль электродов.

Хэймерс предлагает использовать бактерий для перемеще ния и сборки нанодеталей квантовых точек, нанотрубок, на ночастиц. На детали наномашин планируется наносить белко вые маркеры, комплементарные (взаимно соответствующие) маркерам на поверхности микроорганизмов. Затем бактерии перемещают в нужные места и осуществляют сборку.

Преодоление проблемы массового производ ства наноструктур

Камнем преткновения нанотехнологии, основанной на зондовых методах, является невозможность организации мас сового производства высокотехнологичных товаров. Результа ты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотех нологии, уже достигнуты, но технологии массового производ ства тех же наноэлектронных схем (подобно планарной крем

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ниевой) как таковой не существует. Конечно, нанофабрика ре шила бы эту проблему в два счета, однако до ее создания, по видимому, еще очень далеко. Тем не менее, уже сейчас развива ется множество перспективных направлений массового произ водства наноструктур.

Электроосаждение

Группе российских ученых из МГУ под руководством Гали ны Цирлиной удалось разработать весьма любопытный способ получения наноструктур, пригодный для их массового про мышленного производства. Наноструктуры здесь получают при комнатной температуре электроосаждением нанокристаллов различных оксидов.

Электроосаждение – очень простой процесс: ионы оксидов металлов в растворе электролита оседают на заряженный элект род под действием тока. Управляя изменениями тока во время осаждения, можно манипулировать ростом оксидов и получать нанокристаллы разной формы и структуры.

А ведь существует так много разных оксидов! Например, из оксидов рутения этим методом можно получить сверхъемкие конденсаторы удельной емкостью 100 Ф/г – в сто тысяч раз больше, чем у конденсаторов в обычной лампе дневного света! Чемоданчика таких наноконденсаторов хватило бы, чтобы сдвинуть с места огромный корабль или поразить его молнией.

Из оксидов вольфрама осаждают электрохимические сен соры, чутко реагирующие на малейшее содержание нитратов (то есть можно выбирать экологически чистую репку на рын ке), устройства электрохимической энергетики (помните мощ ный взрыв, вызванный маленькой топливной ячейкой из “Тер минатора III”?).

Осаждая поочередно слои оксидов двух разных металлов, получают биметаллический нанокомпозит для устройств маг нитной записи или электрохромные (меняющие цвет под действием тока) устройства. Более того, осаждением наноокси дов нашим ученым удалось получить сверхтонкий высокотем пературный сверхпроводник.

Мягкая литография

Обычная фотолитография прекрасно зарекомендовала себя в случае, когда необходимо разместить как можно большее ко

270

ГЛАВА 5. Инструменты нанотехнологии

личество элементов на маленькой площади полупроводнико вого кристалла. Однако она совершенно не подходит для случа ев, когда те же элементы нужно разместить по большой площа ди, на иных материалах или не на плоских поверхностях.

Технология размещения наноструктур на любых поверх ностях, названа “мягкой литографией”. Она не требовательна к качеству и форме подложки, а потому применять её можно для неровных и гибких поверхностей и даже объёмных фигур.

В качестве примера, демонстрирующего возможности но вой технологии, исследователи из Иллинойского университета (США) показывают полусферу, покрытую матрицей фоточув ствительных транзисторов и способную сыграть роль основно го элемента для широкоугольного цифрового фотоаппарата.

Делают ее так: сперва на выбранную поверхность наносят тонкие плёнки алюминия, кремния и нитрида кремния. Потом поверхность нагревают и методами зондовой микроскопии “рисуют” на ней определенную наноструктуру с характерными размерами в десятки нм. Затем штампуют ею мягкую полимер ную матрицу, которую потом подвергают облучению для зат вердения.

Минимальные размеры элементов, создаваемых этим спо собом, составляют около 10 нм, что позволяет, в принципе, осу ществлять очень плотную запись, но производительность и на дежность оставляют желать лучшего. Тем не менее, мягкую ли тографию ждёт большое будущее.

Рисование и печать

Очень удобный способ нанесения наноструктур на поверх ности предложила компания NanoInk, выпускающая самые ма ленькие авторучки на Земле. Точки, линии и буквы, выходя щие из под их “пера”, примерно в десять тысяч раз меньше тех, что создаются с помощью обычной шариковой ручки. Но в от личие от макроскопических “коллег”, данная ручка представ ляет собой зонд АСМ с наконечником из нитрида кремния.

Когда АСМ используется по прямому назначению, возни кает проблема: на наконечнике конденсируется влага из окру жающего воздуха, что ухудшает качество измерений. Оказа лось, частицы воды в образующейся капельке постоянно дви жутся – от наконечника к поверхности и наоборот. Это свой ство решили использовать для перемещения вместе с водой мо

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

лекул “чернил”. Меняя уровень влажности в приборе, задают размер капельки и ширину линии. Ширина линий составила всего несколько десятков молекул, а толщина одну молекулу. Эту технологию окрестили “перьевой нанолитографией” (dip pen nanolithography).

Рис 181. Cистема кантилеверов «авторучек» и внешний вид установки DPN*

Перьевая нанолитография имеет много достоинств: в каче стве "чернил" можно использовать все, что угодно, а писать можно на любой поверхности. "Атомная ручка" найдет приме нение в наноэлектронике: с ее помощью на площади в один квадратный дюйм можно прочертить до 1 млн. линий. Экспер ты отмечают также относительную дешевизну устройства.

Авторучка – хорошо, а принтер лучше. Установки, содер жашие матрицы управляемых зондов авторучек (как в «много ножке») вполне могут пригодиться в серийном производстве наноэлектронных устройств. Обратите внимание, что, в отли чие от обычной литографии, здесь не нужно трудоемкое изго товление фотошаблона, а значит, станки «нанохудожники» смогут переключаться на производство все новых и новых на ночипов сразу как только инженеры будут их разрабатывать. Таким образом, одна и та же фабрика сможет производить мно жество разных типов микросхем.

Биосинтез

Другой перспективный инструмент создания наноструку тур – биологические наномашины. Нэд Симэн из Нью йоркского университета уже создал из молекул ДНК “фабрику” по производству одного единственного полимера. Размеры устройства составляют всего 110x30x2 нм. Оно состоит из двух

* Перепечатано с www.nanoink.net

272