Методы синтеза нанообъектов - стратегия “снизу-вверх”, “сверху-вниз”

Введение

Существует два принципиально разных подхода к развитию нанотехнологии. Эти подходы условно принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Подход сверху-вниз основан на уменьшении размеров физических тел вплоть до получения объектов с наноразмерными параметрами. Технология снизу-вверх заключается в том, что создаваемый нанообьект "собирается" из индивидуальных атомов, молекул, биологических клеток и т. п.
На возможность и перспективность такого подхода впервые указал Ричард Фейман в выступлении на ежегодном собрании Американского физического общества в 1959 г. Практическая реализация технологии снизу-вверх стала возможной с развитием техники зондовой микроскопии, позволившей не только наблюдать нанообъекты с атомным разрешением, но и манипулировать единичными атомами и молекулами. Впервые это удалось сделать сотрудникам лаборатории IBM, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы (IBM) из 35 атомов ксенона. Такая техника открывает много возможностей для манипуляции на уровне отдельных атомов и молекул, однако методы, основанные на использовании сканирующих зондов, вообще говоря, обладают низкой производительностью и высокой стоимостью.


1 Методы получения наноструктур
Принципиально все современные методы получения наноструктур основаны на использовании твердофазного, жидкого, и газообразного состояний. Их условно можно разделить на два больших класса - физические и химические методы.
К физическим методам относятся такие методы, как механическое или ультразвуковое измельчение твердого материала, распыление расплава металла при его вращении с очень большой угловой скоростью (более 300 об/с), вакуумное осаждение испаряемого материала на охлажденную подложку, лазерное импульсное испарение материала в вакууме или жидкости, электролиз.
С другой стороны, перечисленные методы можно разделить на два принципиально различающиеся подхода.
Первый - измельчение макроскопических тел до получения частиц с нужными размерами и свойствами, названный технологией «СВЕРХУ-ВНИЗ».
Второй - выращивание наночастиц из отдельных атомов и молекул, названный технологией «СНИЗУ-ВВЕРХ». Здесь «верхом» принято считать объекты обычных макроскопических размеров, а «низом» - отдельные атомы. Рассмотрим характерные особенности формирования наноструктур на основе двух указанных технологий.
Внедрение в мир наноразмеров, по которому в течение долгого времени шли изготовители электронных микросхем, является традиционным и его можно назвать дорогой «сверху-вниз». На этом пути используются технологии, хорошо зарекомендовавшие себя в макромире и основанные на уменьшении размера обрабатываемых объектов. Наиболее широко используемый в подобных технологиях метод получения ультрамелких частиц - это постепенное механическое измельчение или перемалывание материала в специальных шаровых мельницах. Методы измельчения могут быть самые разные. В частности, для некоторых материалов применяется измельчение ультразвуком. В этом случае мощный ультразвуковой импульс заставляет недостаточно измельченные частицы материала сталкиваться друг с другом с очень большой частотой и, тем самым, продолжать измельчаться до необходимых размеров. Эти методы сравнительно просты и дешевы. Однако, путем перемалывания тяжело получить однородные частицы с необходимыми свойствами, заданной формы и размеров. К этому же типу технологий относится и другой распространенный метод получения наночастиц - центробежный метод распыления расплава металла.
К нанотехнологиям «снизу-вверх» могут быть отнесены методы вакуумного осаждения материала на подложки. На начальной стадии осаждения на подложке происходит формирование наноостровков напыляемого материала. Методы вакуумного осаждения имеют широкое промышленное использование для нанесения металлических пленок в технологиях микро- и наноэлектроники. Они различаются по типу нагрева, под действием которого происходит испарение материала. Этими методами получают наноструктуры самой разнообразной формы, среди которых нанопровода и нанотрубки из различных материалов.
Отметим также, что подход «снизу-вверх» в большей степени характерен для химических методов получения наночастиц.
Подход «сверху - вниз», т. е. обработка вещества с последовательным
уменьшением размеров до требуемых (манометровых) размеров
Пример подхода:
литография в
полупроводниковой
технике
Подход «снизу - вверх», т. е. получение нанометровых изделий или материалов методами сборки на атомарном уровне
Пример подхода:
обработка и самосборка элементов поверхности при помощи сканирующего
туннельного микроскопа.
Рис. 1. Два главных нанотехнологических принципа обработки материалов
2 Технологии «сверху-вниз»
194881597155«сверху вниз»
00«сверху вниз»

251079069850
32956593346Тонкий
перемол
материала
00Тонкий
перемол
материала
382524093346Отпиливание
материала
00Отпиливание
материала
13582652647951739265150495Получение нанообъектов из большой заготовки, путем удаления лишнего материала
00Получение нанообъектов из большой заготовки, путем удаления лишнего материала

34537655715

257746549530
146304038100Обкалывание материала
00Обкалывание материала


Рис. 2. Технологии получения наночастиц при сборке «сверху вниз» (физические методы)

О создании структур методом «сверху вниз» говорил в своей известной речи (лекция 1959 года в Калифорнийском технологическом институте, с которой многие специалисты связывают зарождение нанонауки вообще) знаменитый физик Ричард Фейнман, предложивший задуматься о последовательном процессе миниатюризации инструментов и соответственно изделий вплоть до наномасштабов. Кстати, именно по этому пути уже пошли некоторые связанные с полупроводниковой техникой компании, которые начали с создания упомянутых выше МЭМС и постепенно перешли к разработкам наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Проектирование МЭМС уже привело к появлению заметных коммерческих продуктов, среди которых стоит отметить газонаполненные нанодатчики (используемые в автомобильной промышленности), насадки или сопла в современных струйных принтерах, некоторые новейшие медицинские устройства, фотонные переключатели в коммуникационных системах и мобильных телефонах

. По прогнозамм In-StatJMDR, коммерческая прибыль от использования МЭМС должна возрасти от 4,7 миллиарда долларов (2003 год) до 8,3 миллиарда в 2007 году. Прогресс в этой области сейчас сдерживается главным образом возможностями существующей полупроводниковой промышленности, а также длительностью и сложностью монтажа новых производственных линий.
Характеристики очень многих нанотехнологических изделий, уже широко используемых в различных отраслях (энергетика, полупроводниковая техника, молекулярная электроника), могут быть значительно улучшены в близком будущем. Дело в том, что сейчас происходит интенсивное развитие новых технологических приемов и оборудования, специально создаваемого для нужд нанотехнологии. Из наиболее важных направлений развития в этой области необходимо выделить три.
Нанолитография. В последние десятилетия характерный размер отдельных элементов полупроводниковых микросхем, из которых изготавливают процессоры, память и другие компоненты многочисленных электронных устройств, перешел рубеж 100 нм и неуклонно продолжает уменьшаться. В настоящее время в серийном производстве находятся изделия, многие электронные компоненты которых имеют размеры 32 и даже 25 нм. Поэтому такие производства по праву могут быть отнесены к нанотехнологиям. В настоящее время основным методом, с помощью которого на участке кремниевой пластины размером в несколько квадратных сантиметров размещается огромное количество отдельных транзисторов, соединенных в сложнейшую схему, является фотолитография.
Этот сложный технологический процесс состоит в следующем: на окисленную поверхность кремниевой пластины наносится слой фоторезиста - полимерного светочувствительного материала, который под действием теплового воздействия изменяет структуру поверхности, на которую он нанесен. Для создания на пластине необходимого рисунка предварительно изготавливается фотошаблон - стеклянная пластинка с рисунком элементов интегральной схемы. Для этого на стеклянной пластинке, покрытой слоем хрома и фоторезиста, лучом лазера наносят необходимый рисунок, после чего удаляют освещённые части фоторезиста вместе с хромом. В местах, где проходил луч лазера и происходило термическое воздействие, на стекле образуются непрозрачные участки, через которые в дальнейшем свет проникать не будет. Пример фотошаблона для получения интегральной схемы электронных часов приведен на рис. 3.
Готовый фотошаблон помещают в параллельный пучок ультрафиолетового света, который проходит через прозрачные участки фотошаблона. Прошедший свет фокусируется линзой и падает на поверхность кремниевой пластинки, покрытой тонким слоем фоторезиста, и засвечивает его.

Рис. 3. Фотошаблон для интегральной схемы электронных часов

В результате, под прозрачными участками фотошаблона происходит изменение структуры поверхности, вызванное действием фоторезиста. Измененная фоторезистом часть поверхности может быть удалена вместе с фоторезистом с помощью химического травления, которое основано на растворении поверхности, изменившей свою структуру, специальными химическими веществами. Таким образом, можно светом создавать на поверхности кремниевых пластин достаточно сложные двумерные структуры бороздок (канавок), необходимых в дальнейшем для формирования различных электронных схем. Схема изготовления микросхем с использованием фотолитографии приведена на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная схема процесса фотолитографии.

Размеры первых транзисторов были порядка 1 см. Совершенствование фотолитографических методов позволило существенно уменьшить размер транзистора. Но основой фотолитографии является геометрическая оптика, а значит, с помощью этого метода невозможно провести две параллельные прямые на расстоянии, меньшем длины световой волны. Поэтому для того, чтобы нарисовать с помощью фотолитографии объект нанометрового размера, необходимо использовать источники дальнего ультрафиолетового излучения с длиной волны в несколько десятков нанометров. Однако, дальнейшее уменьшение длины волны сложно и дорого, поэтому для создания микросхем современные технологии уже используют электронные пучки.
Оптические ловушки. Фирма Arryx разработала прорывную технологию в обработке наноматериалов, в которой используются известные в лазерной технике оптические ловушки. Новая технология основана на использовании одного лазерного источника, излучение которого проходит через адаптивную голограмму. Она позволяет генерировать одним лазером сотни так называемых «лазерных пинцетов», каждый из которых может иметь собственную систему управления, в результате чего установка дает возможность манипуляции молекулярными объектами в трехмерном пространстве (включая перемещение, вращение, разрезание и установку в заданном месте). Не стоит и говорить о широчайших возможностях такой технологии: от работы с клетками и «монтажа» структур из нанотрубок до непрерывной обработки материалов, напоминающей механическую. Новая методика позволяет даже управлять движением органелл внутри живой клетки без повреждения последней, включаяВведение

ДНК в ядро клетки.
Метрология. В настоящее время атомные зондовые микроскопы производства фирмы IMAGO LEAP, позволяющие получать трехмерные изображения химических соединений и атомарную структуру объектов, уже применяются в производстве чипов и дисководов. В отличие от традиционных микроскопов, дающих просто изображение микроскопического объекта, микроскопы IMAGO (которые, конечно, следует называть наноскопами) позволяют анализировать структуру, так как их «сигналы» соответствуют положению атомов в данный момент времени. Они позволяют «сжимать» наблюдаемую картину и в оцифрованном виде получать изображение изучаемого объекта со скоростью около миллиона атомов в минуту. Такой подход открывает совершенно фантастические перспективы в получении визуальных изображений и исследовании атомарных структур вообще.
Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля