Введение к работе
Актуальность темы
Одним из основных направлений развития современных нанотехнологий является создание, исследование свойств и применение низкоразмерных систем, таких как: квантовые ямы, квантовые проволоки, нановискеры, квантовые точки, в которых свободное движение электронов ограничено в одном, двух или трех направлениях [1]. В последние годы основное внимание уделяется созданию, исследованию и применению наноструктур, представляющих собой большие ансамбли нановискеров [2].
Вместе с тем, малым ансамблям, насчитывающим небольшое число нановискеров, или одиночным нановискерам, локализованным на заранее заданных участках поверхности, в том числе на поверхности острий малого радиуса (радиус острия составляет десятки и сотни нанометров), уделяется недостаточное внимание. Интерес к таким объектам обусловлен несколькими причинами.
Во-первых, нановискеры, наностержни и нанотрубки могут выступать в качестве конструктивных блоков для формирования новых микро- и наноустройств. Механические, электронные и оптические свойства таких объектов значительно отличаются от свойств трехмерных материалов [3].
Во-вторых, большой интерес, как с теоретической, так и прикладной точек зрения, представляют двух- и трехмерные нанообъекты, составленные из нановискеров. Такие малые ансамбли нановискеров могут иметь вид плоских или объемных графов, с одномерными ребрами. При определенных условиях свойства подобных объектов могут быть описаны с привлечением формализма одномерных криволинейных наноструктур. Как показано в [4], искривляя в пространстве одномерные и двумерные элементы и сочетая их различным способом в плоскости или в объеме, можно управлять их электронными свойствами.
В-третьих, локализация одиночного полупроводникового нановискера
на вершине металлического острия открывает путь к исследованию его
электронных, механических и оптических характеристик методами
сканирующей туннельной, силовой и ближнепольной микроскопий.
Наконец, данный подход может стать основой для создания элементов нанофотоники, нанофлюидики, автоэмиссионных и жидкометаллических катодов, специализированных зондов с повышенным пространственным разрешением для нанодиагностики материалов методами сканирующей туннельной, силовой, ближнепольной, в том числе терагерцовой, микроскопий [5].
Целью настоящей работы является исследование процессов формирования малых ансамблей и одиночных полупроводниковых и металлорганических нановискеров, исследование их механических, электронных и оптических свойств, создание на их основе функциональных наноструктур для локальной диагностики материалов, в том числе полупроводниковой природы методами СЗМ.
Задачами работы являются
Развитие методов формирования GaAs, С, Pt и W наноструктур, состоящих из нановискеров, на вершине Si и W острий с радиусом кривизны, сравнимым с радиусом нановискера.
Создание модели роста и численное моделирование процесса формирования наноструктур на вершине острия под действием фокусированного электронного пучка.
Локализация одиночного полупроводникового GaAs нановискера на вершине W острия и измерение ширины запрещенной зоны в нановискере методом упругой туннельной спектроскопии.
Исследование механической устойчивости нановискера, локализованного на вершине острия, и исследование пространственного разрешения СЗМ-зондов с нановискерами на вершине.
Создание упорядоченной матрицы нановискеров и исследование ее
оптических свойств.
Введение малого ансамбля упорядоченных нановискеров в канал
микрофлюидного чипа с целью объединения методов микрофлюидики и
наноплазмоники для захвата, фиксации и детектирования
биологических объектов в их нативном состоянии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые экспериментально показана возможность создания ансамбля полупроводниковых GaAs нановискеров на вершинах электрохимически заточенных W игл.
Впервые с помощью метода сверхвысоковакуумной упругой туннельной спектроскопии измерена величина запрещенной зоны в одиночном полупроводниковом нановискере, локализованном на вершине W иглы.
Предложена математическая модель, объясняющая формирование углеродных наноплоскостей под действием фокусированного электронного пучка. Предложен новый тип зондов-нано скальпелей для манипулирования нанообъектами и их локальной модификации.
Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование кантилеверов с металлорганическими одиночными нановискерами с большим аспектным отношением повышает точность определения положения вертикальных стенок глубоких микроканалов.
Предложен новый тип зондов на основе проводящей нанопетли для измерения локальных магнитных свойств образцов.
Предложен новый способ создания ближнепольных апертурных зондов с локализованными одиночными нановискерами на краю апертуры.
На основе пространственно-упорядоченного массива металлорганических нановискеров создан оптический элемент, генерирующий и распространяющий поверхностную плазмонную волну
с частотой, лежащей в видимом диапазоне спектра. Впервые предложено использовать такой элемент одновременно как для оптического детектирования, так и для разделения нанообъектов в биопробе.
Предложены и реализованы новые топологии микрофлюидных чипов на
основе массивов наноструктур для захвата и фиксации биологических
объектов.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Предложенный подход, заключающийся в локализации одиночного нановискера на вершине острия малого радиуса, может найти практическое применение при исследовании характеристик одномерных одиночных полупроводниковых наноструктур.
Результаты проведенных исследований могут стать основой для изготовления специализированных СЗМ-зондов нового поколения с улучшенными характеристиками и новыми функциональными возможностями.
Результаты проведенных исследований могут быть применены при создании микрофлюидных чипов с сетью наноканалов и ансамблем нановискеров для эффективной сортировки, фиксации и детектирования нанобиообъектов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Полупроводниковые GaAs вертикальные нитевидные нанокристаллы (нановискеры) с поперечным размером около 50 нм и длиной в диапазоне 200 - 900 нм могут быть сформированы с помощью молекулярно-пучковои эпитаксии по механизму пар-жидкость-кристалл на вершинах заостренных вольфрамовых игл, имеющих радиус кривизны более 100 нм.
-
Метод упругой туннельной спектроскопии в сверхвысоком вакууме обеспечивает измерение ширины запрещенной зоны одиночных полупроводниковых нановискеров, локализованных на вершине зонда сканирующего туннельного микроскопа. В случае GaAs нановискера ширина запрещенной зоны, измеренная данным методом, составляет 1,5 эВ.
-
Метод фокусированного электронного пучка позволяет создавать углеродные нанолезвия с толщиной порядка 50 нм. Рост нанолезвия обусловлен влиянием электрического поля пучка на кинетику образующихся ионов углерода.
-
Одиночные металлорганические нановискеры с диаметром около 50 нм и длиной около 1000 нм, выращенные на вершине Si зондов-кантилеверов с радиусом закругления около 25 нм, механически устойчивы при работе в силовых модах и улучшают пространственное разрешение сканирующего зондового микроскопа при визуализации поверхностей с развитым рельефом.
-
Периодически-упорядоченный массив металлорганических нановискеров с диаметром около 50 нм, высотой около 200 нм и периодом 240 нм, сформированный под действием фокусированного электронного пучка, может быть использован в качестве оптической среды, генерирующей и передающей поверхностные плазмонные волны с частотой, соответствующей видимому диапазону спектра.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
11th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures, St. Petersburg, Russia, 2011.
European Materials Research Society, Nice, France, 2011;
International Conference on Materials for Advanced Technologies, Suntec, Singapore, 2011;
European Materials Research Society, Strasbourg, France, 2010;
VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.;
II Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, Россия, 2009 г.;
а также на научном семинаре Санкт-Петербургского Академического университета — научно-образовательного центра нанотехнологий РАН.
Публикации. Основные результаты изложены в 10 печатных работах в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение.
