Файл: Методы создания и изучения нанообъектов Основные методы создания наноструктур.pdf

Методы создания и изучения нанообъектов

Основные методы создания наноструктур.
Фотолитография.
Осаждение тонких пленок.
Электроспининг.
Наноструктуры с самосборкой.
Методы изучения нанообъектов.
Дифракционные методы: рентгеноструктурный анализ и порошковая рентгеновская дифракция. Масс-спектрометрия.
Ближнепольная оптическая микроскопия. Рентгеновская микроскопия.
Конфокальная микроскопия. Люминисцентная микроскопия.
Электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).
Ионная микроскопия.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ): сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовая микроскопия, оптические зонды ближнего поля, магнитные силовые зонды, электростатические силовые зонды.
Спектроскопические методы: электронная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

Основные методы создания наноструктур.
1 По агрегатному состоянию исходных материалов:
– газофазное (получение из газовых фаз);
– жидкофазное (получение из растворов);
– твердофазное (получение из твердых материалов).
2 По природе процесса синтеза:
– физические (термические, механические);
– химические (термолиз, осаждение);
– гибридные (механохимические, плазмохимические).
3 По методике изменения размера частиц в процессе
синтезирования:
– конденсация (процесс сборки НМ из атомов или молекул);
– диспергация (измельчение, деформация).

Основные методы создания наноструктур.
4 По типу формирования:
– метод «снизу-вверх» (top-down) – получение отдельных атомов и молекул, используя в основном химические реакции;
– метод «сверху-вниз» (bottom-up) – получение наночастиц путем механического измельчения крупных частиц. Этот метод работает по принципу: «отсеки все лишнее».
Методы «снизу-вверх» можно условно разделить на два подкласса:
– процесс осаждения из газовой фазы;
– процесс образования НЧ в коллоидном растворе.
Если при осаждении из газового состояния происходит изменение состава вещества, то метод называют химическим, а если химической реакции при осаждении не происходит, его называют физическим.

Основные методы создания наноструктур.
5 По технологическому признаку получения
наноматериалов и наносистем:
− нанопорошковые методы;
−методы, при которых приповерхностные слои модифицируются нанопленками или наноструктурируются при помощи НТ исходными отдельными элементами или их смесями;
- методы, использующие интенсивную пластическую деформацию;
– методы, объединяющие различные технологии.

методы создания наноструктур: фотолитография
Фотолитография — метод, применяемый для переноса изображения на поверхность фоторезиста.
Она включает несколько стадий:
очистку подложки, нанесение слоя фоторезиста,
сушку фоторезиста,
экспонирование,
проявление и
сушка проявленного рельефа (вторая сушка фоторезиста).

методы создания наноструктур: литография
Для получения картинок и шаблонов в нанометровом масштабе,
необходимых для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем,
наноэлектромеханических систем,
микрохимических аналитических лабораторий на одном микрочипе,
применяют специальные литографические технологии.
Данные методики включают литографию с пучками электронов, наносферную литографию и литографию сфокусированного пучка ионов.
Некоторые из них похожи на оригинальную литографию перенесением картинки (шаблона) из молекул в виде отпечатка непосредственно на подложку. Это методики «мягкой» литографии: микроконтактная печать,
создание реплик, формование с микропереносом и микроформование,
усиленное растворителем;
литография с
наноштамповкой
(наноимпринтная литография, или нанопечать) и метод погружного пера
(тип сканирующей зондовой литографии).

методы создания наноструктур: литография
Литография с применением пучков электронов
Данный метод используется при производстве полупроводников и для получения шаблонов масок, предназначенных для других типов литографии, например рентгеновской и оптической. В литографии посредством пучков электронов экспонированная подложка модифицируется за счет их энергии.
Наносферная литография
Наносферная литография напоминает другие типы литографии. В этом процессе маску заменяет слой наносфер. После экспонирования и проявления не покрытую наносферами смолу смывают, оставляя вертикальные стержни наномасштабных размеров.

методы создания наноструктур: фотолитография
«Мягкая» литография
«Мягкая» литография получила свое название из-за эластичных свойств штампа или шаблона, являющегося устройством, переносящим модель шаблона или рисунок на поверхность. В этих методах используются гибкие органические молекулы и другие материалы, проявляющие свойства эластичности, а не жесткие неорганические носители, обычно применяемые при производстве микроэлектронных систем.
При использовании этой технологии самоорганизующийся монослой наносится с помощью штампа на подложку.
Молекулярный оттиск монослоя может служить затравкой для выращивания кристаллов или связующим звеном ДНК при биоанализе.

методы создания наноструктур: литография
Метод погружного пера
Метод погружного пера или перьевая литография — вариант литографии с применением сканирующего зонда. Наконечник атомно-силового микроскопа (АСМ) перемещает молекулы на поверхность носителя через мениск растворителя.
С помощью переьевой литографии можно получать структуры с размерами в интервале от нескольких сотен нанометров до 50 нм.
Ее применяют для создания микромасштабных и нано масштабных моделей и картинок, используя разные «чернила»:
биомолекулы,
органические молекулы,
полимеры и
неорганические молекулы на ряде подложек.
В
настоящее время данная технология может быть востребована при конструировании белковых матриц,
предназначенных для протеомикса в фармакологических скрининговых процессах и для иммуноанализа на плашках.

методы создания наноструктур: литография
Метод погружного пера
Перьевая литография состоит из нескольких этапов. Первый —
подготовка подложки, а именно ее очистка и промывка с целью удаления загрязнений и получения бездефектной поверхности.
Для увеличения адгезии наносимого материала на подложку может быть добавлен самособирающийся монослой. На втором этапе наконечник АСМ покрывают
«чернилами», которые наносятся на поверхность.
Третий этап — создание желаемого рисунка.
Молекулы с
требуемыми химическими свойствами наносятся на острие зонда посредством окунания в
соответствующий разбавленный раствор реагента с последующим испарением растворителя.
Данный метод позволяет формировать линии шириной до 12 нм на расстоянии
5
нм одна от другой

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Процесс осаждения можно описать тремя стадиями:
первая — создание потока конденсируемого образца, включающего либо нейтральные атомы, либо ионы;
вторая — перенос образца на подложку; третья — выращивание пленки.
Процесс осаждения тонких пленок можно разделить на две категории: физическое нанесение и химическое осаждение.
Довольно часто применяется комбинация различных методов и технологий.

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Физическое осаждение из паровой фазы
(Physical Vapor Deposition -
PVD), когда процес осаждения протекает без каких-либо химических реакций.
Физическое нанесение состоит из трех основных этапов: испарения, напыления и применения ионного пучка
В процессе испарения при нанесении тонкой пленки используют способность наносимого материала к испарению с целью создания потока вещества путем физического нагрева.
Полученную нагревом субстанцию затем переносят на подложку для осаждения на требуемую поверхность.
Разогрев материала осуществляют различными методами: нагревом с помощью пучка электронов, нитей накала, испарением в электрической дуге постоянного или переменного тока, индукционным нагревом и импульсным испарением.

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Химическое осаждение из паровой фазы
(Chemical Vapor Deposition - CVD),
когда формирование пленки происходит в результате химической реакции прекурсоров на подложке.
В отличие от процессов PVD, при которых твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу путем испарения или распыления, при процессе СVD в камеру подается смесь газов. Для переноса к подложке летучих компонентов, из которых формируется растущая пленка, часто используется газ-носитель (обычно H2 или N2).
Осаждение пленок обычно проводится в проточных камерах, где газ-носитель,
содержащий соответствующие реагенты, пропускается над нагретой подложкой.

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Гальваническое нанесение покрытий отличается от других типов нанесения тонких пленок применением жидких исходных веществ.
Материал, подлежащий осаждению, сначала переводят в водный раствор.
Несмотря на то, что нанесение гальванического покрытия может вызываться действием специальных реагентов в растворе, для инициации реакции образования слоя из желаемого материала обычно используется электрический ток или поток ионов.

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Эпитаксия молекулярным пучком и реактивное напыление
В ходе эпитаксии сверхчистые элементы нагревают с помощью молекулярных пучков, пока они не начинают постепенно переходить в газообразное состояние.
Испарившиеся элементы не взаимодействуют с другими до конденсации на подложке. Эпитаксия происходит в глубоком вакууме, что обусловливает низкую скорость этого процесса, а следовательно, вещество формируется на носителе в виде больших по размеру зерен с упорядоченной ориентацией. Поэтапное осаждение позволяет каждый раз осаждать необходимый элемент в виде монослоя
Реактивное напыление. В данном процессе небольшое количество неинертного газа, например кислорода или азота, смешивают с газом, образующим плазму.
Затем материал мишени напыляют на подложку, взаимодействующую с газом. В результате происходит осаждение материала, отличного от исходного субстрата.
Если используются кислород или азот, то на носителе формируются оксид или нитрид. Путем реактивного напыления можно получить весьма широкий спектр соединений

методы создания наноструктур: осаждение тонких пленок
Рост тонких пленок. Атомы (молекулы) распыленного вещества, попадая на подложку, могут адсорбироваться на ней или отразиться. Результат зависит от коэффициента аккомодации атомов к подложке, а также от температуры последней и энергии падающих атомов. Во многих случаях процесс роста пленки становится возможен только после образования на подложке зародышей, состоящих из нескольких атомов напыляемого материала и играющих роль центров конденсации.

методы создания наноструктур: электроспинниг
Электроспиннинг применяют для получения полимерных волокон с диаметром, относящимся к нанометровой области размеров.
Основу метода составляет инжекция заряженного полимерного раствора на поверхность с противоположным зарядом.

методы создания наноструктур: электроспинниг
Суть метода: силы поверхностного натяжения и вязкость полимерного раствора придают капле на кончике иглы шприца полусферическую форму.
Заряд, наведенный электрическим полем, заставляет эту каплю деформироваться в «конус Тейлора». Когда приложенное напряжение увеличивается выше пороговой величины, напряженность в капле превосходит противоположно действующие силы поверхностного натяжения и узкая заряженная струя выбрасывается из кончика «конуса
Тейлора».
Сначала струя полимера идет почти по прямой за счет внешнего электрического поля, взаимодействующего с полимером. Затем сформировавшаяся струя скручивается в спираль.

методы создания наноструктур: электроспинниг
Во время изгибания и сворачивания в спираль полимерная струя растягивается; при этом значительно уменьшается диаметр волокна и происходит быстрое испарение растворителя. В результате формируются нановолокна. Они неупорядоченно ложатся на заземленную мишень, образуя нетканый волоконный мат.
Электроспиннинг позволяет получать волокна субмикронного диаметра, изменяемого различным расстоянием между источником полимера и мишенью, концентрацией полимера и приложенным электрическим потенциалом .

методы создания наноструктур: создание наносфер
Технология создания наносфер представляет собой получение полимерных частиц диаметром несколько сотен нанометров.
Наносферы можно получить путем эмульсионной диффузии растворителя. Сначала полимер растворяют в летучем органическом растворителе, например хлороформе, этилацетате или метиленхлориде.
Затем раствор полимера добавляют к воде, содержащей поверхностно- активное вещество (ПАВ) или стабилизатор, и перемешивают с помощью ультразвука.
Образовавшиеся наносферы собирают посредством испарения растворителя при перемешивании или добавлением избытка воды.

методы создания наноструктур: самосборка наноструктур
Самосборка - это процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в которой практически в неизменном виде принимают участие только компоненты исходной структуры, «собирающие» результирующую сложную структуру.
Принцип самосборки состоит в том,
что молекулы всегда стремятся перейти на самый нижний из доступных для них уровней. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, они соединятся.
Если поможет переориентация их физических положений,
молекулы переориентируются.