Нанотехнологии и интересные разработки
Сфокусированный ионный пучок как инструмент наноскульптора
В двумерном (x-y, или 2D) варианте нанотехнологи давно научились делать очень много очень маленьких изделий. Иногда – предельно маленьких. Достаточно вспомнить надпись “IBM”, сделанную из отдельных атомов аргона с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Или один монослой графита – графен – сотворённый и исследованный К. Новоселовым и А. Геймом с коллегами из Черноголовки и Манчестера просто путём натирания поверхности окисленного кремния графитом [1] всего 4 года назад. Зато ныне среди всех 2D-систем графен – настоящая поп-звезда [2].
А вот с третьим (z) измерением ситуация гораздо сложнее. Один красивый вариант выхода в z-измерение был предложен Виктором Принцем из ИФП СО РАН [3]. Но здесь мы рассмотрим ещё один нанотехнологический приём, который тоже позволяет успешно осваивать третье измерение. Это выращивание трёхмерных структур из газовой фазы с помощью сфокусированного ионного пучка (ГФ+СИП технология). Со времён Луи де Бройля известно, что ?=h/mv, где ? – длина волны, h – постоянная Планка, m – масса частицы, а v – её скорость. Так что при одинаковой скорости пучок протонов можно сфокусировать в пятнышко, которое будет примерно в 2000 раз меньше, чем у электронов. А если взять пучок ионов Ga+, то получится ещё круче. Почему именно галлий? Потому что он плавится в ладони (TFGa = 302,93 K [4]). А жидкометаллические источники ионов очень надёжны, неприхотливы, но главное, что они по яркости (т.е., по количеству частиц, испускаемых с единицы площади в единицу времени) превосходят все прочие.
Мастерская наноскульптора, работающего в манере ГФ+СИП, представляет собой вакуумную камеру со столиком, на котором он и создаёт свои шедевры. К столику подведены трубочки для напуска нужных газов, ионная пушка СИП, и электронная пушка для визуализации наноизделий (хотя визуализировать можно и с помощью ионов) (см. Рис. 1).
Рис.1. Схема выращивания 3D структур из газовой фазы с помощью сфокусированного ионного пучка [5]
В качестве исходного сырья используется пар какого-нибудь ароматического углеводорода (например, фенантрена, С14Н10). При напуске этого пара в камеру, молекулы его адсорбируются на всей поверхности подложки-кремния, а в том месте, куда бьёт ионный луч, превращаются в аморфный углерод. Но не простой, а с большой долей sp3-гибридизованного, т.е. алмазоподобного. И если больше ничего не делать, то под ионным пучком вырастает столбик этого почти алмаза. Пучки заряженных частиц особенно хороши тем, что ими можно легко, быстро и точно управлять путём подачи напряжения на пару отклоняющих пластин, между которыми он пролетает. Поэтому для того, чтобы сделать что-нибудь поинтереснее, чем унылый столбик, достаточно сдвинуть творящий лучик на полдиаметра вбок. В этом боковом направлении и продолжится рост (Рис.2).
Рис.2. Так синтезируются наноизделия различных форм по технологии ГФ+СИП [6]
Дальнейшее очевидно. Хотите получить пружинку – пожалуйста (Рис.3), хотите «просверлить» бактерию, то тоже можно подобрать подходящее сверло (Рис.4). А в качестве действенного средства борьбы с пьянством предлагается пить горячительные напитки из почти алмазных микрорюмок (Рис.5).
Рис.3. Пружинка из алмазоподобного аморфного углерода. Диаметр – 600 нм, шаг- 700 нм, толщина – 80 нм [6]
Рис.4. Микросверло. Диаметр 250 нм, шаг 200 нм, длина 3,8 мкм [6]
Рис.5. Микрорюмка диаметром 2,75 мкм и высотой 12 мкм [6]. (Средний диаметр человеческого волоса 50 мкм)
Последнее усовершенствование ГФ+СИП технологии состоит в том, что теперь за процессом ваяния можно наблюдать в реальном времени. Процесс создания нанокуколки приведён на Рис.6.
Рис.6. Всего 5 минут и нанокуколка готова. Диаметр талии у неё 150 нм [5]
Таким образом, сфокусированный ионный пучок – это замечательный инструмент для изготовления самых разнообразных трёхмерных нанообъектов. Беда только в том, что все они создаются поштучно, поэтому здесь и речи нет о массовом производстве. Увы, эта технология вряд ли станет двигателем прогресса в наноиндустрии. К счастью, кроме наноиндустрии, есть ещё и наноискусство, и в этом последнем у данной технологии фактически нет конкурентов.
Автор – С. Чикичев
Источники:
- 1. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, v.306, pp.666–669 (2004)
- 2. A.K.Geim, A.H.MacDonald. Graphene: exploring carbon flatland. Physics Today, No 8, pp.35–41 (2007)
- 3. Чикичев С.И. Принц-технология: 10 лет спустя. ПерсТ, 2006, т.13,вып.15/16, с.1–3
- 4. Дж. Эмсли. Элементы. М.: Мир, 1993, с.50–51
- 5. R. Kometani, S.Ishihara, T. Kaito, S.Matsui. In-situ observation of three-dimensional nano-structure growth on focused-ion-beam chemical vapor deposition by scanning electron microscope. Applied Physics Express (APEX), v.1, paper 055001 (2008)
- 6. S. Matsui, T. Kaito, J. Fujita, M. Komuro, K. Kanda, Y. Haruyama. Three-dimensional nanostructure fabrication by focused-ion-beam chemical vapor deposition. J. Vac. Sci. Technol., v. 18, No6, pp.3181–3184 (2000)