Азаренков Н.А. - Наноматериалы, страница 39

Исследования биомолекул осуществляется за счет измерения полного электрического сопротивлениямежду электродами.Рис. 9.4. Изображения нано-биосенсорной структуры,полученной с помощью SEM [26]Каждой разновидности биомолекул соответствует определеннаяэлектрическая проводимость, что дает возможность применять такой сенсор для исследования широкого разнообразия биомолекул включая простые токсины, такие как формальдегид [31], большие молекулы ДНК игормоны [32], или более специфические биомолекулы, такие как антителаВИЧ [33].На рис. 9.5 представлен другой пример применения 3D микроканалов для исследования поведения клеток фибробласта с целью созданиятканевых волокон.188Рис. 9.5. Фотоснимок клетки фибробласта, мигрирующей и проникающей черезузкие каналы за пределы инкубационной области в течение 7 дней [27]Ширина каналов: (В) – 5 мкм; (С) – 20 мкм; (D) – 25 мкм; (E) – 30 мкм [27]Здесь показаны четыре канала шириной 5, 20, 25 и 30 мкм, соединяющие внешнюю среду с замкнутой инкубационной областью.

Из рисунка видно, что клетки не в состоянии проникнуть за пределы замкнутойобласти через 5-ти микрометровый канал, в то время как остальные каналы являются для них вполне приемлемыми для перемещения.Микроструйные системы. Другим возможным применением узкихмикро- и наноканалов, полученных с помощью технологии PBW в полимерных материалах типа РММА, является микроструйные системы. Такиесистемы могут моделировать движение жидких потоков в тканевыхструктурах живых организмов.

В последнее десятилетие значительно возросли потребности массового производства микроструйных систем какдля фундаментальных исследований в химии и биологии, так и в химических и медицинских приложениях [34, 35]. Однако наноструйные системынаходятся в стадии исследований, так как ширина каналов может быть науровне размеров молекул, и поэтому необходимо изучать их поведение впотоках одномолекулярного масштаба.

Появление поверхностного зарядана стенках наноканала, вызванного ионизацией например ОН− групп, атакже силы химического притяжения (силы Ван-дер-Вальса) значительноизменяют кинетику процесса истечения жидких потоков в наноструйныхсистемах. В качестве одного из способов преодоления сил, препятствующих движению потоков через наноканалы, рассматривается электрокинетическое перекачивание.На рис. 9.6 показана серия резервуаров, соединенных каналами шириной 100 нм.Рис. 9.6.

Фотоснимок резервуаров, соединенных каналами шириной 100 нм,полученных с помощью SEM [26]189Когда электрическое поле приложено вдоль каналов, такие молекулы как ДНК устремляются через наноканалы со скоростью, которая зависит от размера и характеристик разворачивания ДНК. Такая наноструйнаясистема является своего рода наночипом [6]. Немаловажным при изготовлении наноканалов является величина шероховатости их стенок. В технологии PBW вследствие практически отсутствия эффекта близости измеренная с помощью АСМ максимальная шероховатость составляет< 3 нм [36].Микрофотоника. Среди множества применений микро- и наноструктур, которые могут быть созданы с помощью технологии PBW, особое место занимают микрооптика и микрофотоника. Обработка световогосигнала может осуществляться с помощью оптических элементов, интегрированных в чип, таких как излучатели, волноводы, детекторы, модуляторы и массивы микролинз, использование которых должно обеспечитьвысокую скорость обработки информации.Существует два пути, по которым технология PWB может быть использована для приложений в микрооптике и микрофотонике.

Перваявключает непосредственное формирование низкоразмерных структур изполимеров, нанесенных с помощью центрифуги на соответствующуюподложку, такую как стекло или термически окисленную кремниевуюпластину, при этом подложка и нанесенный материал должны быть с более низким коэффициентом преломления, чем материал сердцевины оптического волокна.

Резистивный материал SU-8 является наиболее приемлемым для изготовления волноводов, так как он обладает высокой прозрачностью, низкими потерями и гладкими стенками (рис. 9.7) [37].Рис. 9.7. Фотоснимок кольцевого резонатора, изготовленного в слоерезистивного материала SU-8 на кремниевой подложке, полученногос помощью SEM. На изображении справа показана область с характернымиособенностями размером 200 нм [27]190К тому же его коэффициент преломления немного выше, чем материал подложки из обычного стекла или термического оксида. Микролинзовые массивы могут быть изготовлены с применением структуры, состоящей из нанесенного слоя резистивного материала с помощью центрифуги на прозрачную подложку такую как стекло, обычно применяющеесяв световой микроскопии, затем следует шаг создания формы для того,чтобы изготовить микролинзы требуемого диаметра.

После проявленияполимер термически оплавляется за счет нагрева всей структуры до температуры фазового перехода стекла. Под действием поверхностного натяжения формируются полусферические микролинзы (рис. 9.8). Длина фокуса определяется выбором соответствующей комбинации диаметра линзы и толщины резистивного материала. Другие структуры также могутбыть изготовлены непосредственным формированием структур, включаярешетки и пластины с зонами Френеля [27].Рис.

9.8. Оптическое изображение микролинзового массива, изготовленного изрезистивного материала РММА толщиной 15 мкм [27]Второй метод формирования волноводов в массивном объеме полимера или кварцевого стекла с применением PBW включает непосредственную ионно-пучковую модификацию без шага проявления [38].

Этодостигается за счет использования процессов, происходящих на конечнойстадии движения иона в образце, когда создается скрытый канал волновода в подложке. Ионы имеют уникальную особенность, состоящую в том,что количество энергии, которую они вкладывают в подложку, увеличивается быстро, поэтому в конце своего пути вероятность того, что ион создаст вакансию, также быстро увеличивается. Суммарный эффект этого состоит в том, что создается скрытая область повреждений, дающая в результате локальное увеличение плотности материала и, как следствие, локальное увеличение коэффициента преломления.

Эта поврежденная область затем может играть роль ядра волновода.Среди рассмотренных применений трех разновидностей сфокусированных пучков заряженных частиц технология PBW с использованием191пучков легких ионов имеет большие потенциальные преимущества присоздании низкоразмерных структур различного применения. Однако разрешающая способность ядерных микрозондов – устройств, обеспечивающих фокусировку легких ионов средних энергий, в настоящее время значительно (на порядок) хуже двух остальных типов устройств. С другойстороны, не существует принципиальных физических ограничений, на основании которых было бы невозможно улучшить характеристики ядерного микрозонда. Поэтому пути их усовершенствования лежат в разработкепринципиально новых схем зондоформирования, создания новых линзовых систем и применения полевых источников ионов с яркостью, значительно превышающей существующие высокочастотные ионные источники.9.4.

Потенциальные возможности применениеуглеродных нанотрубокСо времени открытия углеродных нанотрубок Ииджимой исследования были сосредоточены на применении их в различных устройствах. Вчастности, большой успех применения УНТ ожидается от приложенийэлектронной эмиссии, благодаря упомянутым выше (раздел 4) такимсвойствам УНТ, как экстремальная физическая прочность, химическаястабильность, высокое аспектное число и высокая электропроводность.Создание низковольтного дисплея с полевой эмиссией (ДПЭ) из УНТ внастоящее время является одним из самых перспективных направлений вэлектронике.

Полевые эмиссионные свойства УНТ, полученных различными методами, изучались как на единичных МСУНТ, так и на связкахМСУНТ. В 2004 г. сообщалось о 32 дюймовом УНТ-ДПЭ с катодом подзатворного типа. Разработчики дисплея на УНТ использовали экраннопечатную технику нанесения УНТ на катод для формирования эмиттера. Втом же году другая японская фирма представила 40 дюймовую триоднуюпанель с катодом, покрытым УНТ. Пирио изготовил микроструктурированные катоды с УНТ эмиттерами, непосредственно сформированными надне катодных отверстий методом PECVD при 700° С и Ширатори создалполевые эмиттеры путем синтеза вертикально ориентированных УНТ настекле при 400° С радиочастотным PECVD методом.Массивы УНТ на большой области шаблонов из AAO, как прототипы плоского дисплея с полевой эмиссией были осаждены также методомCVD.

Такие структуры УНТ/AAO характеризуются низким полевымвключением ∼ 2,8 В/мкм, высокой максимальной плотностью тока эмиссии ∼ 24 мА/см2 и хорошей стабильностью эмиссии. Получен также тонкоплёночный материал из ориентированных МСУНТ методом CVD безкатализатора в плазме тлеющего разряда.