Нанотехнологические установки

Нанотехнологические установки

Реализация потенциальных  возможностей нанотехнологии возможна при создании специального технологического оборудования (нанотехнологических  установок), осуществляющего локальные  физико-химические процессы в областях нанометровых размеров.

Установки позволяют  осуществить в специализированных технологических модулях локальные  нанотехнологические процессы и  исследовать их результаты методами сканирующей зондовой микроскопии.

За рубежом  фирмами "Digital Instruments", "Topometrics", "Omicron" и множеством других, а также в нашей стране выпускаются сканирующие зондовые микроскопы различных типов. Однако данные приборы позволяют исследовать в основном только поверхность образцов.

Нанотехнологические установки, специализированные на проведение нанотехнологических процессов, пока не выпускаются.

Важность разработок именно нанотехнологических установок  столь значительна, что за рубежом  создаются даже специальные фирмы, целенаправленно специализирующиеся на создании нанотехнологических установок, называющихся "atomic assembler" - сборщики атомов.

В отличие от традиционных групповых технологий, основным узлом нанотехнологических  установок является нанореактор, формируемый  между вершиной зонда и обрабатываемой поверхностью. В процессе локального воздействия в зазоре зонд-подложка на поверхности направленным образом преобразуются межатомные и межмолекулярные связи вещества подложки и технологической среды. В результате образуются новые структурные композиции вещества, кластеры, локальные образования нового вещества, композиции органических веществ с неорганическими и формируются нужные объекты с нанометровыми размерами.

Проведение нанотехнологических  процессов осуществляется в установках в зазоре зонд-подложка, при инжекции в данный объём технологических сред (газообразных или жидких) и комплексном воздействии различными методами на происходящие атомно-молекулярные процессы.

Исследование  характеристик создаваемых нанообъектов и поверхности осуществляется методами сканирующей зондовой микроскопии  и туннельной спектроскопии.

Для проведения нанотехнологических процессов  в газовых и жидких средах в  Институте Нанотехнологий Международного фонда конверсии (ИНАТ МФК) были разработаны  нанотехнологические установки.

Важнейшим отличием созданных установок является использование специального технологического модуля и соответствующей системы позиционирования, обеспечивающих возможность работы даже с агрессивными средами и стабилизацию параметров технологической среды.

Установки могут  использоваться в научных институтах и университетах для проведения НИОКР по нанотехнологиям, наноприборам и подготовке специалистов.

Следует отметить, что эти нанотехнологические  установки:

• реализуют в зазоре зонд-образец различные по природе полевые, электромагнитные, кинетические воздействия на технологический процесс;
• характеризуются высокой разрешающей способностью, вплоть до атомарной;
• обладают повышенным быстродействием, благодаря специальной конструкции манипуляторов, электронной системы управления, программного обеспечения, что позволяет осуществить большой объём экспериментов.

Блок-схема нанотехнологической  установки "Луч-2" и её основные технические функциональные возможности  показаны на рис. 1. Она состоит из:

• технологического модуля с системой прецизионного позиционирования, технологической и защитной камерами, устройствами гашения сейсмических и акустических колебаний, системой инжекции и вывода технологических сред и исполнительными элементами воздействий на процесс в зоне зонд-образец;
• электронной аналого-цифровой системы с высокочувствительными и высоковольтными электронными схемами, управляемой сигнальным процессором;
• математического обеспечения для управления нанотехнологическими процессами, проведения измерений нанообъектов и поверхности, тестирования узлов и систем установки.

Рисунок 1. Блок-схема технологического модуля

В дополнение к  базовой комплектации установки "Луч-2" выпускаются:

• Система видеонаблюдения - визуализирует на экране компьютера место подвода зонда к исследуемому образцу. Ускоряет вывод зонда на требуемую позицию. Использование афокальной оптики с зеркальными оптическими поверхностями, в которых отсутствует хроматическая аберрация, предоставляет возможность измерения объектов, расположенных под зондом, и введения излучения с длинами волн, отличными от длин волн, на которых работает система видеонаблюдения. Система характеризуется сочетанием большой глубины резкости (до нескольких мм) и высоким пространственным разрешением (до 1–2 мкм). Кроме того, применяемая оптическая система позволяет вводить лазерное излучение в зазор зонд-образец и юстировать его с помощью управляемых от компьютера пьезодефлекторов. Система расположена вне технологического модуля, и для компенсации смещения изображения применяется специальная программа стабилизации изображения на экране компьютера и оптимального наведения излучения в область проведения нанотехнологических процессов.
• Зонды:
• из мономатериалов, например вольфрама, с оптимальной формой для высокоскоростного сканирования и радиусом вершины менее 100 A;
• с гидрофобным покрытием для проведения исследований на влажной поверхности био-объектов;
• с изолирующим на боковой поверхности покрытием для проведения электрохимических экспериментов;
• с термической активацией вершины для повышения эффективности локальных воздействий;
• с плазмонной активацией вершины для стимулирования локальных химических реакций.
• Гибкие миниреакторы (объёмом меньше 1 см3) для многократного уменьшения расхода дорогостоящих технологических сред и их дополнительного нагрева в зоне реакции. Увеличивают срок службы пьезоманипуляторов и технологических модулей.
• Тестовые структуры для калибровки нанотехнологических комплексов. Изготавливаются в виде шахматного поля с микронными и нанометровыми размерами.
• Составные блоки установки "Луч-2" - технологический модуль, система управления и их компоненты (широкодиапазонные и быстродействующие манипуляторы, усилители туннельного тока, электронная система управления).

Установки предыдущего  поколения типа "Луч" используются в Институте нанотехнологий Международного фонда конверсии, на химическом факультете МГУ, в центре коллективного пользования, а электронные системы управления в ЦЕНИ ИОФ РАН и в Университете г. Флоренция.

На установках данного типа были получены экспериментальные  результаты по формированию нанообъектов из материалов различных типов - карбонилов железа и вольфрама, хлоридоволова  и полианилина. Результаты формирования нанообъектов и исследования свойств наноструктур экспериментально подтвердили возможность и эффективность развития нанотехнологии на основе нанотехнологических зондовых установок.