Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Обнаруженная зависимость размеров кластера от напряжения открывает возможность управлять по отдельности соседними наночастицами в кластере с помощью диэлектрофореза. Если сила недостаточна для сцепления, то после окончания импульса напряжения кластер распадется на отдельные частицы или целиком оторвется от подложки – так можно управлять размером собираемых наноструктур и их подвижностью для последующей сборки. Управляемость отдельными наночастицами в кластере увеличивается при переходе к наночастицам с R= 5 нм. Напряжением U₀ в диапазоне от 1 В до 5 В можно регулировать связь соседей с подложкой (рис.4(л)), а в диапазоне от 4 В до 10 В – их связь между собой (рис.4(м)).

7.1.Лабораторная работа «Исследование диэлектрофоретической сборки кластеров из металлических наночастиц методом функций Грина»

Расчет параметров клеточной нелинейной сети для калибровочного радиосигнала и выбранного зашумленного радиосигнала. Оценка характеристик других параметров, связанных с методом кинетических уравнений. Запуск программы расчета и задание требуемых электрических и геометрических параметров клеточной нелинейной сети. Калибровка программы на примере фильтрации радиосигнала в клеточной нелинейной сети с нелинейным элементом, имеющим эталонную вольтамперную харакетристику. Расчет фильтрации выбранного зашумленного радиосигнала. Построение графиков и анализ полученных результатов. (рис. 3-рис. 4).

8.Диэлектрофоретическая сборка наноколец из металлических наночастиц

С помощью жидкостного диэлектрофореза можно собирать разнообразные структуры из наночастиц в коллоидных растворах. Под действием диэлектрофоретической силы незаряженные проводящие наночастицы дрейфуют в область максимальной напряженности электрического поля и слипаются в прочные структуры разнообразной формы – от нанонитей и цепочек до ветвистых «деревьев» (см. [1, р.50]). Рассматривают два основных направления сборки структур из наночастиц - «сверху-вниз» и «снизу-вверх». В обоих подходах можно применить диэлектрофорез. Например, по принципу «сверху-вниз» можно поштучно перемещать наночастицы с помощью многослойного зонда субмикронного радиуса специальной конструкции, играющего роль нанопинцета [2]. С другой стороны, по принципу «снизу-вверх» возможны процессы самосборки и самоорганизации структур из наночастиц, в которых зонд служит только для запуска процесса самосборки в нужное время в нужном месте. Собираемые наноструктуры могут служить центральной частью нового поколения функциональных приборов наноэлектроники, нанофотоники и наномеханики [3].

При обычных умеренных концентрациях коллоидных растворов среднее расстояние между собираемыми наночастицами порядка 1 мкм. Поэтому встраивание наночастиц в растущую структуру происходит последовательно. Частицы друг за другом втягиваются диэлектрофоретической силой в область максимального поля и прижимаются к поверхности уже имеющейся наноструктуры. Для прочного присоединения наночастицы сила ее прижима должна превысить пороговое значение F_A порядка 100 пН (для зазора 1 нм это соответствует энергии связи 1 эВ). Этот порог определен окислительно-восстановительным механизмом взаимодействия двойных электрических слоев, покрывающих проводящие поверхности в растворах [4]. Такая связь с высокой вероятностью сохраняется и после исчезновения внешней силы прижима, т.е. при нулевом напряжении на электродах диэлектрофоретической ячейки.

При диэлектрофоретической сборке наноструктур основным препятствием упорядочению собираемых элементов является броуновская сила F_B хаотического теплового движения наночастицы, равная примерно 1 пН для наночастицы радиуса R= 5 нм. Кроме броуновского движения наночастиц сборке препятствуют электрогидродинамические потоки в окружающей жидкости, процессы электрохимического окисления наночастиц, а также неконтролируемое слипание наночастиц в комки из-за Ван дер Ваальсовского притяжения при сближении частиц до зазора порядка 1 нм (см. напр., [5], p.95). Чтобы избежать электрогидродинамических потоков, на электроды диэлектрофоретической ячейки подают переменное напряжение частотой более 10 кГц с характерным действующим значением порядка U₀=1 В (среднеквадратичное за период). Чтобы избежать электрохимического окисления, применяют наночастицы из благородных металлов (Au, Ag). Углеродные наноструктуры (фуллерены и нанотрубки) также рассматриваются как перспективные элементы сборки благодаря летучести оксида углерода. Например, с помощью зондового диэлектрофореза успешно собирали жгуты из проводящих нанотрубок в воде [6]. Чтобы избежать неконтролируемого комкования из-за Ван дер Ваальсовского притяжения, применяют наночастицы с покрытием из монослоя додекантиола толщиной 1 нм, содержащего CH₃-группы на тиоловом хвосте [7]. Заодно такое гидрофобное покрытие подобно смазке облегчает скольжение наночастиц при их диэлектрофоретическом дрейфе по металлическим поверхностям.

Сборка кольцеобразных наноструктур, прочно связанных с подложкой в заранее заданных местах, особенно перспективна для создания планарных приборов инфракрасной и терагерцовой наноэлектроники [8]. Нанокольца в таких приборах играют роль резонаторов для плазменных колебаний электронов проводимости и определяют спектральные характеристики рассеиваемых электромагнитных волн. Таким образом, исследование процесса сборки наноколец при жидкостном диэлектрофорезе проводящих наночастиц актуально как для нанотехнологии, так и для наноэлектроники.

Для параметров зонда и наночастиц взяты такие же характерные значения, как в [7], а для параметров жидкости - как в [10]. Вязкость µ= 10^–3 Па*с, температура T= 300 К, плотность ρ= 1 г/см³. Броуновская сила вычисляется как равномерно распределенный по всем направлениям случайный вектор длиной F_B= kТ/R, где k- постоянная Больцмана, R- радиус наночастицы. Для R=10 нм характерные значения F_B= 0,4 пН, коэффициент диффузии D= kT/(6π µ R)= 2*10^–11 м²/с. Движение наночастицы в жидкости передемпфировано, т.е. сила инерции много меньше силы трения (см., например [1, р.67]). Скорость V наночастицы пропорциональна внешней силе F и вычисляется по формуле V= F/(6π µ R). Характерное значение для броуновских блужданий V= 2 мм/с, число Рейнольдса = ρVR/µ =2*10^–5 << 1.

Наночастицы считаются абсолютно жесткими идеально проводящими шариками. Учитываются только парные столкновения, как в обычных методах молекулярной динамики (МД) (см., напр., [11], p.102). Цикл МД начинается с вычисления сил, действующих на частицы. Каждая сила состоит из 1) диэлектрофоретической силы, 2) броуновской силы, толкающей частицу в случайном направлении. Суммарная сила дает скорость возможного движения частицы до ближайшего столкновения. Далее рассчитываются времена всех парных столкновений, и из них выбирается наименьшее. Заканчивается цикл МД перемещением частиц с постоянными скоростями в течение наименьшего времени. Если частица находится на зонде или на подложке, то она может либо покинуть поверхность объекта, либо двигаться вдоль нее. Если частица прижимается по нормали к поверхности силой выше адгезионного порога F_A=100 пН, то частица навсегда остается прикрепленной к этой точке поверхности.

В зондовой диэлектрофоретической сборке наноструктур при обычных умеренных концентрациях коллоидных растворов можно выделить 2 стадии движения наночастиц относительно эпицентра зонда (это самая близкая к острию зонда точка на поверхности подложки) [9]. Первая стадия – это медленное (за десятки и сотни миллисекунд) диффузионное движение вдали от эпицентра. Вторая стадия - это быстрое (за десятки и единицы микросекунд) дрейфовое движение вблизи эпицентра. В 1-й медленной стадии можно выделить 2 этапа –а) диффузия наночастиц на расстоянии порядка 1 мкм от эпицентра и б) диффузия, ускоренная слабой диэлектрофоретической силой на расстояниях выше 100 нм при малых амплитудах напряжения на зонде U₀ (примерно 1 В). Быструю стадию сборки также можно разбить на 2 этапа – а) дрейфовое ускоренное движение отдельных наночастиц в окрестности эпицентра размером менее 100 нм и б) столкновения наночастиц внутри этой окрестности, приводящие к их прикреплению к подложке и/или к группам других частиц (кластерам) при напряжении на зонде U₀ выше порогового (примерно 5 В).

Как показано в [9], в ближайшей окрестности эпицентра можно собирать кластеры, состоящие примерно из десятка наночастиц. При этом зонды с большим радиусом острия R₀= 100 нм имеют следующие преимущества над острыми зондами с радиусом 10 нм: 1) минимальный размер устойчивого кластера понижается с 60 до 30 нм, 2) изменяя напряжение около порогового значения примерно на 0,1 В можно регулировать связь соседних наночастиц в кластере отдельно от их связи с подложкой, 3) повышенная прочность зонда позволяет механически воздействовать им на подложку и наночастицы, 4) легко изготавливать зонды и поддерживать их в рабочем состоянии.

При сближении наночастицы с эпицентром на расстояние R_Z сила прижима к подложке F_Z возрастает до броуновского порога F_B, но сила тяги к эпицентру F_X меньше F_B. В этих условиях частица не может покинуть поверхность подложки и уйти в объем жидкости, участвуя в хаотическом тепловом движении. Если зазор между частицей и поверхностью подложки менее примерно 5 нм, то сила притяжения частицы к ее изображению заставляет двигаться частицу к подложке и затем все время прижимает ее к поверхности. Другими словами, расстояние R_Z разделяет области объемной и поверхностной диффузии наночастиц при зондовом диэлектрофорезе. Хаотические траектории частиц за границей R_Z пролегают по всему объему, пока в дрейфовой стадии не превращаются в почти прямые линии, заканчивающиеся на острие зонда или на его боковой поверхности. Такие частицы прилипают к зонду и не дают полезного вклада в процесс сборки нанокольца, но и не мешают ему. В этом – еще одно преимущество зонда большого радиуса R₀= 100 нм, т.к. на его фоне прилипшим частицам размером 10 нм легче «потеряться». На рис. 3 видно, что радиус области поверхностной диффузии R_Z почти не зависит от вертикального зазора H в диапазоне 10 - 60 нм и достигает 1 мкм при напряжении U₀ = 7 В.

Радиус области сборки R_X при любом напряжении U₀ меньше радиуса области поверхностной диффузии R_Z. При сближении наночастицы с эпицентром до расстояния R_X сила тяги к эпицентру F_X возрастает до броуновского порога F_B. В этих условиях частица хаотически блуждает вдоль поверхности подложки и одновременно дрейфует в сторону эпицентра. Другими словами, R_X – это максимальное удаление от эпицентра, с которого наночастицы можно собирать в кольцо на поверхности подложки. На рис. 3 видно, что радиус области сборки R_X слабо зависит от вертикального зазора H в диапазоне 10 - 60 нм и достигает более 600 нм при напряжении U₀ = 10 В, что превышает половину среднего расстояния между наночастицами в капле обычного раствора умеренной концентрации.

Радиус нанокольца R_R при любом напряжении U₀ меньше радиуса области сборки R_X. При сближении наночастицы с эпицентром до расстояния R_R сила прижима к подложке F_Z возрастает до адгезионного порога F_A. В этом месте частица остается прикрепленной к подложке. На рис. 3 видно, что при характерном зазоре H = 30 нм радиус нанокольца R_R возрастает от 40 до 400 нм при увеличении напряжения U₀ от 1 до 10 В.

Таким методом можно создавать не только статические, но и динамические кольцеобразные наноструктуры. Например, при Н = 30 нм и напряжении U₀=0.916 В получается минимальное кольцо радиусом 21 нм. Внутри такого кольца может поместиться только одна частица в самом эпицентре. После остановки 1-й частицы на окружности минимального радиуса 21 нм подошедшая 2-я частица не останавливается рядом с первой на окружности, а огибает эпицентр и колеблется напротив 1-й частицы. Аналогично ведут себя замыкающие частицы при сборке колец с R_R= 31 и 41 нм. Чем меньше собираемое кольцо, тем больше его форма отклоняется от окружности, и оно все больше похоже на кластер разрозненных наночастиц. Часть из этих частиц в кластере не связана с подложкой, а участвует в хаотических броуновских колебаниях. Эти динамические эффекты в передемпфированных системах коллоидных наночастиц перспективны для новых приборных применений на основе процессов самосборки и самоорганизации.

8.1.Лабораторная работа «Исследование диэлектрофоретической сборки наноколец методом молекулярной динамики»

Расчет параметров клеточной нелинейной сети для калибровочного радиосигнала и выбранного зашумленного радиосигнала. Оценка характеристик других параметров, связанных с методом кинетических уравнений. Запуск программы расчета и задание требуемых электрических и геометрических параметров клеточной нелинейной сети. Калибровка программы на примере фильтрации радиосигнала в клеточной нелинейной сети с нелинейным элементом, имеющим эталонную вольтамперную характеристику. Расчет фильтрации выбранного зашумленного радиосигнала. Построение графиков и анализ полученных результатов. (рис. 3-рис. 4).

Заключение

В пособии рассмотрены процессы изготовления нанослоев, нанонитей и наночастиц с помощью молекулярно лучевой эпитаксии. Основным недостатком этого метода является его дороговизна, связанная с требованием поддержания сверхчистых условий, в частности, с получением сверхвысокого вакуума. Можно ли обойти это требование, традиционное для микроэлектроники? Для ответа на этот вопрос можно обратиться к описанным в этом пособии процессам самоорганизации нанонитей и наночастиц. Оказывается, такие процессы самоорганизации не требуют сверхвысокого вакуума, хотя и не исключают его. Для самоорганизации системы требуется только выполнение трех условий – ее открытость, диссипативность и нелинейность. В окружающем нас мире выполнение этих условий является скорее правилом, чем исключением. К процессам самоорганизации относятся, например, образование снежинок, и все фазовые переходы, сопровождаемые упорядочением. В субмикронных масштабах процессы самоорганизации являются основой биологической жизни клеток любого организма, в том числе и человеческого.

Таким образом, самоорганизационное направление в нанотехнологии предлагает сначала присмотреться к тем процессам, которые идут в природе без участия человека, а затем гармонично присоединить свои усилия к этим процессам. Такой синергетический подход особенно актуален из-за глобального экономического кризиса, в котором мы оказались, обращаясь с природой с позиции бездумного хозяина. Нанотехнология на основе процессов самоорганизации гармонично развивает и природу, и человека в единении с природой.

Рисунки

рис. 1

ВАХ нелинейного элемента ячейки КНС

рис. 2

Очистка синусоидального радиосигнала от шума без смещения

Характеристики

Список файлов книги