Публикации: Наноматериалы (рубрикатор)

Благодаря своему строению, исключительной механической прочности и уникальным электрическим характеристикам, углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для формирования наноэлектрических схем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), а также для наноробототехники. Способность отдельных слоёв многостенных нанотрубок (МСНТ) смещаться относительно друг друга может быть использована в таких устройствах, как манипуляторы, пинцеты, переключатели, гигагерцовые осцилляторы, шприцы, актюаторы, а также элементы памяти. Открытые нанотрубки проявляют капиллярные свойства и могут применяться в качестве контейнеров, каналов, пипеток, кабелей для хранения и транспорта различных веществ или заряда. Кроме того, нанотрубки могут стать основным элементом нанороботов. В настоящей работе рассмотрены основные достижения в разработках наноробототехники на основе УНТ.

Наноробототехника появилась из робототехники при переходе к нанометровой шкале. Ее развитие идёт в двух направлениях: разработка роботов нанометровых размеров (нанороботы) и разработка макроскопических роботов, способных к проведению манипуляций с нанообъектами (наноманипуляторы). Легко предположить, что наноробототехника сможет найти себе применения в молекулярной сборке [1-3] и в наномедицине [4,5], но до сих пор не ясно, что же будут представлять собой нанороботы и какие задания они смогут выполнять. Однако развитие нанотехнологии уже позволило создать различные структуры, инструменты, сенсоры, актюаторы и системы размером меньше 100 нм, которые позволят всё глубже и глубже исследовать наномир.

Современные наноустройства делают возможным манипуляцию с отдельными наночастицами, измерение масс на уровне фемтограмма, определение силы порядка пиконьютона, а так же индукцию гигагерцовых колебаний. Нет сомнений в том, что со временем будут открыты новые возможности. Пока ещё учёные не научились получать наносистемы с такими «продвинутыми характеристиками», как интеллект, способность к размножению и механохимическому синтезу «атом-за-атомом». Тем не менее, изобретение таких инструментов, как сканирующий туннельный микроскоп [6], и синтез новых атомно-упорядоченных наноматериалов, таких как УНТ [7], позволяют утверждать, что начало наноробототехники уже положено.

Блоки на основе УНТ для наноробототехники

Благодаря своему строению, исключительной механической прочности, уникальным электрическим характеристикам, а также другим интересным физическим свойствам (Табл.1), углеродные нанотрубки являются перспективным материалом [8] для изготовления наноэлектрических схем и наноэлектромеханических систем (НЭМС), для наноробототехники.

Таблица 1. Свойства УНТ.

Для наноробототехники наиболее важными характеристиками УНТ являются их наноразмер[9], высокая анизотропия геометрических размеров, гигантский модуль Юнга [10-17], высокая гибкость [18,19], сверхмалое межслоевое трение [20-22], возможность разных типов проводимости [25-27], высокие значения полевой эмиссии [23,24], теплопроводности [28-30] и максимальной плотности тока, чувствительность проводимости к различным физико-химическим изменениям [31-33], зависимость длин связей от заряда [34]. В наноробототехнике УНТ можно применять в качестве структурных элементов, инструментов, сенсоров и актюаторов. Из одиночных многостенных нанотрубок можно формировать более сложные структуры либо методами «снизу-вверх» (bottom-up), либо – «сверху-вниз» (top-down) (рис.1.).

Рис.1. Строительные блоки на основе УНТ. Из одиночной МСНТ (а) можно создать сложные структуры: (b-d) соединением УНТ друг с другом, (e) заполнением, (f) модифицированием, (g-i) воздействием на слои.

Одиночная УНТ сама по себе также может являться функциональным элементом наноустройств. Один из примеров такого устройства – зонд из нанотрубок для атомно-силового микроскопа (AFM) [35], позволяющий увеличить разрешение микроскопа и защитить остриё от разрушения. Изначально для создания такого устройства отдельная многостенная нанотрубка была присоединена к обычному коммерческому зонду на основе кремния. Дальнейшие разработки позволили усовершенствовать эту конструкцию и сейчас зонд из УНТ можно получить методом CVD [36], контролируемой сборкой [16] или выращиванием строго упорядоченных нанотрубок на гладкой подложке [37]. Другим примером наноустройства является нанопинцет, держатели которого представляют собой нанотрубки, соединённые со стеклянным капилляром. Управление зажимами происходит с помощью подачи разности потенциалов между ними [38].

Соединяя УНТ друг с другом можно построить более сложные структуры. Связи могут иметь внутримолекулярную и межмолекулярную природу. Связывая между собой УНТ различного диаметра и хиральности можно формировать электрические схемы нового поколения [39-47].

В многостенной нанотрубке отдельные слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, вследствие чего они легко двигаются друг относительно друга. Такие УНТ можно применять как гигагерцовые резонаторы и осцилляторы [48-51], трубчатые переключатели [52-54], элементы памяти [55,56], шприцы, линейные нано-серводвигатели со встроенным устройством для определения положения [57], как вращательные элементы для НЭМС [58,59]. Кроме того, в МСНТ возможны сдвиги слоёв друг относительно друга (телескопическое движение) [60] при котором меняется сопротивление нанотрубки. Это свойство можно использовать для создания уникальных электрических механизмов.

Открытые нанотрубки обладают капиллярными свойствами, поэтому в них можно помещать различные вещества. Уже есть работы по интеркалированию в нанотрубки металлов и их соединений [63-65], воды [61] и фуллеренов [66]. Примерами использования таких соединений являются темплаты [67], термометры [68], нанореакторы [69], наноконтейнеры [70].

Наносборка УНТ

В НЭМС электроды устройств покрываются нанотрубками или другими наноструктурами, полученными методами направленного роста [71], жидкостной самосборкой [47] или диэлектрофоретической (DEP) сборкой [74].

В настоящей работе методом DEP было проведено контролируемое разложение различных форм углерода на кремниевой подложке, что является примером сборки снизу-вверх. Этот тип сборки может конкурировать с традиционной сборкой сверху-вниз, которая используется в кремниевой технологии, и делает возможным производство мощных устройств нового поколения. Эта технология применима для сборки МСНТ, двустенных УНТ (ДСНТ), УНТ, заполненных медью [75] и свёртков УНТ (рис.2.)

Рис. 2. Получение сложных наносистем. (а) Упорядоченное расположение УНТ. (b) Наносистема на основе МСНТ. На вкладках: схема и микрофотография более низкого разрешения. (c) Сборка сложных наноструктур. (d-f) Различные наноматериалы: ДСНТ, УНТ, заполненная медью, нанорулон.

Рассмотрим подробнее принцип получения наноструктур с упорядоченным расположением нанотрубок. На кремниевую подложку, покрытую изоляционным слоем, напыляется плёнка электрода (15 нм Cr / 45 нм Au). Затем наносится слой металла, который, в свою очередь, покрывается слоем резиста определённой формы. Посредством электронно-лучевой литографии удаляется металл, а слой резиста растворяется. В итоге получаются электроды шириной 300 нм, разделённые щелью в 350 нм. После этого на электроды методом DEP [76,77] осаждаются углеродсодержащие наноматериалы. Для этого углеродные наноматериалы переводятся в суспензию ультразвуковой обработкой, а полученный чип погружается в резервуар этой суспензии и подвергается воздействию высокочастотного электрического поля. Через 100 секунд чип вынимается из резервуара и промывается чистым этанолом. Далее он высушивается в атмосфере азота.

Процессы сборки позволяют получать структуры наноматериалов, пригодные для определения их электрических и механических свойств. Что ещё более важно, использование тех же самых технологий позволит на основе наноматериалов конструировать сложные структуры для НЭМС.

Другим перспективным методом наносборки является наноманипулирование [78]. Суть метода заключается в том, что манипулятор может воздействовать на отдельные наночастицы. Сборка с использованием наноробототехники позволяет получать более сложные структуры путём образования различных внутримолекулярных и межмолекулярных связей.

На рисунке 3 приведены примеры связанных нанотрубок. Нанотрубки были соединены ван-дер-ваальсовой связью (a), индуцированным электро-лучевым разложением (electron-beam-induced deposition EBID) [79] (b), образованием связей благодаря механохимии (c), спаиванием через кластер меди, интеркаллированный внутрь УНТ (d).

Рис. 3. Соединение УНТ. (a) УНТ, соединённые ван-дер-ваальсовой связью;
(b) УНТ, объединённые по технологии EBID; (c) УНТ, связанные по механохимической реакции; (d) УНТ, спаянные кластером меди.

Связь между УНТ, образованная с помощью метода EBID, намного прочнее ван-дер-ваальсовой связи. Повсеместное использование традиционного метода EBID ограничено высокой стоимостью, используемого электронного эмиттера и низким выходом. Мы модифицировали этот метод, применяя в качестве эмиттеров электронов углеродные нанотрубки.

Методом соединения УНТ без добавления дополнительных веществ является метод механохимической сборки. Он основан на проведении твердофазной химической реакции (механосинтез). Для его реализации проводится химический синтез, контролируемый механической системой с атомной точностью. В результате между атомами с ненасыщенными связями формируются первичные связи, что обеспечивает простое, но сильное связывание. Такие ненасыщенные связи могут быть получены на концах открытых нанотрубок. Естественно, что некоторые связи могут быть насыщены путём взаимодействия с соседними атомами, но, тем не менее, некоторые связи остаются реакционно-способными. Нанотрубка с ненасыщенными концевыми связями будет легко связываться с другой с образованием межмолекулярных связей, как показано на рисунке 3с [78].

Технология EBID подразумевает использование высокоэнергетического электронного пучка и мишени для получения проводящего покрытия, что ограничивает применение этого метода. Механохимическое связывание является очень многообещающим, но пока ещё не до конца разработанным методом. Не так давно мы развили технологию точечного спая [80], соединяя УНТ, заполненные медью. Припой помещается внутрь открытой нанотрубки в ходе её синтеза. Напряжение в несколько вольт может вызвать перемещение меди, которая выступает в роли связующего звена между нанотрубками (рис. 3d). Для поучения качественного спая необходимо контролировать скорость массопереноса внутри трубки (см. Массоперенос внутри УНТ).

Развитие нанотехнологии позволит более точно управлять синтезом материалов, создавать более точные актюаторы и эффективные инструменты для манипулирования, добиться высокоскоростной и автоматической наносборки.

Модифицирование слоёв УНТ

Открытые нанотрубки получаются путём удаления фуллереновых шапок с МСНТ кислотным травлением [64], воздействием тока насыщения [81] или электронного импульса [48], механической деформацией [16,82]. Химическое травление является эффективным методом получения открытых нанотрубок, но оно не позволяет контролируемо воздействовать на внутренние слои. Этим недостатком не обладает метод воздействия током насыщения. Если смещать цилиндры МСНТ [82], то можно получить телескопическую нанотрубку. Типичные примеры телескопических МСНТ, закреплённых с обоих концов, с одного конца (консольно) и по центру, приведены на рисунке 4.

Рис.4. Телескопические МСНТ, закреплённые с обоих концов (а), с одного конца (b), по центру (с)

На рисунке 4а приведён пример телескопической МСНТ, закреплённой с обоих концов: левый конец зафиксирован на субстрате, а правый – на зонде AFM. Тонкий перешеек получается следующим способом: зонд перемещается вправо, в результате чего внешняя оболочка нанотрубки разрушается и обнажаются внутренние слои. Процесс формирование телескопической МНСТ на рисунке 4b похож на ранее описанный. Его особенность заключается в том, что зонд передвигается до тех пор, пока ядро нанотрубки полностью ни обнажиться с левой стороны. Если закрепить нанотрубку не с концов, а по центру, то давление будет действовать только на определённые участки. На рисунке 4с показана закреплённая по центру телескопическая МСНТ. Один конец нанотрубки остаётся закрытым, но может быть открыт при проведении процесса 4b.

Выстраивая МСНТ с одинаковым числом слоёв в упорядоченные ряды, можно получать различные наноструктуры. В формировании параллельно упорядоченных рядов нанотрубок участвуют МСНТ с близкими электрическим сопротивлением и коэффициентом теплопроводности. При пропускание электрического тока выделяющееся джоулево тепло приводит к самопроизвольному выстраиванию нанотрубок параллельно друг другу. Кроме того, происходит разрушение определенных участков слоёв нанотрубки. Схема такой наноструктуры приведена на рисунке 5а, а ряд параллельно выстроенных нанотрубок - на рисунке 5b. Модель наноструктуры следующая: МСНТ закреплена своими концами за наноэлектроды, а её центральная часть ни с чем не соприкасается. Нанотрубка оказывается закреплённой между двумя металлическими пластинами, которые улучшают электрический контакт. При таком строении металлические контакты выполняют функцию теплоотвода, в результате теплового напряжения происходит удаление некоторых слоёв с центрального участка (рис. 5а).

Рис.5. Модифицирование слоёв МСНТ. (а) Модель наноструктуры на основе МСНТ. На вкладках: СЭМ изображения наноструктуры и большом и малом увеличениях. (b) Модель наноэлектрода. На вкладке: Схема при меньшем увеличении, показывающая весь массив. (с) Схема МСНТ, соединённой с тремя электродами, и электрическая схема. (d) СЭМ изображение наноустройства. На вкладке: степени свободы оболочки УНТ. (е) МСНТ, соединённая пятью контактами, а также электрическая схема. На вкладке: упорядоченная структура. (f) Схема роторного двигателя на основе МСНТ. (g) Телескопические сегменты, разделённые щелью в 6-15 нм. (h) Схема устройства, изображённого на рисунке (е).

Известно, что из-за низкой энергии связи между слоями в МСНТ, 5-10 слоёв могут быть легко удалены [59]. Мы обнаружили, что существует некоторое пороговое напряжение в промежутке 300 – 600 мВ (от V_TH-low до V_TH-high), вызывающее удаление этих слоёв. Такой интервал напряжений обусловлен двумя факторами. Внутри МСНТ каждый слой характеризуется своим пробойным напряжением, которое увеличивается при переходе к более глубоким слоям нанотрубки [83]. Кроме того, пороговое напряжение будет разным для нанотрубок с разным диаметром и хиральностью.

При напряжении много выше порогового V_TH-high происходят моментальные разрушения во всех слоях нанотрубки. Для контролируемого удаления некоторых слоёв важно знать величину V_TH-low. Пороговое напряжение было определено из измерений ВАХ для МСНТ [84]. Но выход на насыщение происходит не во всех случаях [85-87].

Нами было обнаружено, что использование пробойного напряжения в течение очень короткого времени (порядка десятка миллисекунд) вызывает неконтролируемое ускорение процессов структурирования слоёв. Причём, приложенное напряжение напрямую связано с выходом процесса. Например, выход будет больше в случае изменения напряжения от 0 до V_max, чем при постоянном напряжении или его повышении от –V_max до V_max. Такой результат был получен при изучении двух рядов УНТ, обозначенных А1 и А2 [74]. К ряду А1 прикладывалось напряжение от –V_max до V_max с шагом 10 мВ через каждые 100 мкс. По той же схеме к ряду А2 прикладывалось напряжение от 0 до V_max. В ряду А1 только 12 нанотрубок оказались пригодными для контролируемого изменения их слоёв, что составило 67%. В случае А2 – 89%.

В ходе работы нами так же был разработан способ модифицирования заданных участков слоёв МСНТ с использованием метода DEP. В дальнейшем это может стать мощным инструментом для конструирования сложных структур и устройств для НЭМС на основе одиночных УНТ.

На рисунке 5с показана нанотрубка, соединённая с тремя электродами. На вкладке приведено СЭМ изображение рядов УНТ. Прилагая разность потенциалов между электродами, соединёнными с концами трубки, мы смогли удалить некоторые участки внешнего слоя УНТ в её центральной части (рис. 5d). Эта технология отличается от способа, которым мы пользовались для получения УНТ, изображённой на рисунке 5а. На рисунке 5е показана одиночная МСНТ, соединённая с пятью электродами. Если вместо того, чтобы постепенного воздействовать на каждый слой, подвергнуть разрушению их все одновременно, то получится телескопическая структура, разделённая щелями 6-15 нм (рис. 5g).

Такая структура может найти себе широкое применение. Её малая длина (210 нм) обеспечит трём центральным сегментам быстрое движение без трения. Нами была рассчитана частота осцилляции такой телескопической трубки, состоящей из трёх сегментов. По модели Zheng [50,88], считая, что экструзия происходит на 5 нм, частота может достигать 1.28 ГГц.

Удаление слоёв происходит под действием джоулева тепла, поэтому получающиеся нанотрубки могут обладать рядом дефектов – изгибаться и содержать дыры. Однако перенос тока вдоль МСНТ происходит по диффузионному механизму [85,86], при этом происходит удаление внешних слоев трубки в центральной части, а образование дефектов имеет незначительный вклад.

На рисунке 6а изображена нанотрубка, связанная с металлическим контактом [89]. Этот контакт выполняет роль теплоотвода и уводит джоулево тепло, выделяющиеся в нанотрубке. Один теплоотвод состоит из двух металлических пластин, между которыми заключена нанотрубка, площадь их контакта достаточно велика. Другой теплоотвод состоит из одной металлической пластины и имеет линейный контакт с нанотрубкой.

Рис.6. Воздействие на оболочки МСНТ. (а) Схема МСНТ с двумя теплоотводами и электрическая схема. (b-d) СЭМ изображения наноструктуры, изображённой на (с) после воздействия пробойного тока. Утоньшение нанотрубки происходит в области соединения УНТ с однослойным теплоотвдом. Вкладки на (b) и (с): Изображения сверху. Вкладка на (d): Изображение области теплоотвода при большом увеличении, ясно видно изменение диаметра УНТ. (e), (f) СЭМ изображения УНТ с отмеченными областями утоьшения. (g) Типичное строение наноэлектрода.

Так как интенсивность отвода джоулева тепла зависит от площади контакта, то диссипация тепла выше в случае двухслойного контакта. Но этот результат был получен для УНТ с неодинаковым распределением тепла по своей длине. В той половине, где она была соединена с однослойным контактом, температура была выше. Можно сделать вывод, что электрический пробой, вызванным выделяющимся теплом, происходит именно в этой половине УНТ. СЭМ изображения нанотрубок, в которых произошёл такой пробой, представлены на рисунках 6b-f. Стрелками указаны места, в которых произошло удаление некоторых слоёв. Можно заметить, что утоньшение нанотрубки происходит только в области её соединения с однослойным теплоотводом. С этими экспериментальными данными согласуются результаты математического моделирования по распределению тепла в проводящей МСНТ [89].

Результатом электрического пробоя может также стать усадка отдельных слоёв нанотрубки при высокой температуре [90,91], образование различных заострённых концов. Воздействие джоулева тепла и электронно-лучевое облучение могут привести к ещё более интересным последствиям. В литературе есть данные по обнаружению сверхпластичности в одно-[92], двух-, трёхстенненных УНТ [93]. При температуре выше 2000°С относительное удлинение ОСНТ и МСНТ может достигать 280% и 190% соответственно, при этом диаметр уменьшается в 15 раз и на 90% соответственно. В работах [94,95] эти данные объясняются с использованием дислокационной теории. Очевидно, благодаря наблюдаемому явлению возникают широкие перспективы для воздействия на нанотрубки.

Массоперенос в УНТ

Не так давно впервые были получены нанотрубки, заполненные игольчатыми монокристаллами меди. Синтез проводили по CVD технологии с использованием медного катализатора [96]. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью и имеет низкое значение энергии связи с атомами углерода в нанотрубке (0.1-0.144 эВ/атом), поэтому УНТ, интеркаллированные медью, являются перспективным материалом для многих областей применения. Мы исследовали контролируемое плавление и перемещение монокрисаллитов меди внутри нанотрубки при помощи наноманипулирования [80].

На рисунке 7а представлен процесс переноса в разные моменты времени, снятый с использованием просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Медь начинает перемещаться по внутреннему цилиндру нанотрубки снизу вверх, когда приложенное напряжение достигает 2.5 В. Весь процесс длиться примерно 70 секунд. Средняя скорость переноса, определённая по изменению длины столбика меди, составляет 11.6 нм/с (рис. 7b). Скорость массопереноса была определена по данным, представленным на рисунке 7с. Она составляет » 0.12 фемтограмм/с (1фемтограмм = 10^-15грамм), то есть является очень медленной и контролируемой, и может обеспечить доставку вещества количеством порядка аттограммов за определённое время.

Рис.7. Массоперенос малого количества вещества внутри нанотрубки. (а) Временная зависимость процесса переноса, снятая с использованием TEM. Медь начинает заполнять внутренний цилиндр нанорубки, когда внешнее напряжение составляет 2.5 В. Процесс заполнения длится примерно 70 секунд. (b) График зависимости высоты столбика меди в нанотрубке от времени. Рассчитанная скорость массопереноса составляет » 0.12 фемтограмм/с. (с) График зависимости количества меди в нанотрубке от времени. Рассчитанная скорость протекания составляет примерно 11.6 нм/с. (d) Графики ВАХ, полученные для разных моментов времени, при постоянном внешнем напряжении 2.5 В. Плотность тока при таком напряжении составляет » 2.6×10⁶ – 3.07×10⁶ А/см². (е) Связь плотности тока, J, и скорости массопереноса, dm/dt.

На рисунке 7d показана серия ВАХ, полученная для разных моментов времени, при постоянном внешнем напряжении 2.5 В. Плотность тока при таком напряжении, рассчитанная по площади поперечного сечения, составляет » 2.6×10⁶ – 3.07×10⁶ А/см². Эта величина сравнима с наблюдаемым ранее значением для электромиграции железа в УНТ (» 7×10⁶ А/см²) [70]. Различия могут возникать вследствие того, что энергия связи Cu-C (0.1-0.144 эВ/атом) ниже, чем энергия связи Fe-C (0.3 эВ/атом) [97]. Наблюдаемые высокие плотности тока могут привести к резистивному нагреву. Известно, что пробой в незаполненной МСНТ наступает при напряжении около 3 В [86]. Исходя из этого, оценочная температура нагрева составляет 2000-3000°С. Также нами были сопоставлены величины плотности тока, J, и скорости массопереноса, dm/dt, что показано на рисунке 7е. Из соотношения dm/dt = 0.3J² – 1.6J + 2.1 следует, что значение dm/dt £ 0.043 фг/с при плотности тока J выше, чем 2.6×10⁶ А/см². Наличие такой пороговой величины предполагает, что механизм массопереноса может быть схожим с электромиграцией [70]. При отрицательном потенциале, то есть когда в роли катода выступает вольфрам, происходит движение в противоположном направлении.

Другие возможные механизмы перемещения можно исключить. Капиллярные силы могут вызывать заполнение или движение вещества, но в направлении противоположном наблюдаемому, то есть от вершины к основанию трубки. Термическое расширение также может быть причиной перемещения, но в этом случае вещество должно с одинаковой скоростью перемещаться вверх и вниз по нанотрубке. Недавние исследования показали, что облучение МСНТ приводит к увеличению внутреннего давления, и, следовательно, к пластической деформации трубки и выталкиванию интеркаллионного вещества [98]. Однако в наших экспериментах сжатие нанотрубки не наблюдалось.

Сравнивая с другими процессами массопереноса можно выделить несколько интересных аспектов в переносе под действием электрического поля:

1. Для плавления вещества или его перемещения достаточно использовать малые электрические токи, что является более эффективным по сравнению с использованием облучения, требующего высокоэнергетического электронного пучка [79,98-100], фокусированного ионного пучка (FIBs) [101] или лазера [62]. Совмещая эту технологию с DEP сборкой, можно обеспечить упорядоченное расположение нанотрубок на поверхности электродов для массового выпуска НЭМС.
2. Плавление вещества наступает очень быстро (на уровне миллисекунды), что на несколько порядков быстрее [79,98-101], чем в случае использования высокоэнергетический электронный пучок или FIB.
3. Благодаря тому, что скорость и направление массопереноса зависят от внешнего электрического тока, возможен точный перенос сверхмалых количеств вещества. Контролируя время можно перемещать массы порядка аттограмма [102].
4. Медь может конкурировать с традиционными полупроводниками. Наши эксперименты показали так же, что она также может сыграть значительную роль для низкоразмерных систем. Углеродная оболочка предохраняет медь от окисления и обеспечивает её термическую стабильность, а также защищает от массопереноса по поверхности нанотрубки [102].

НЭМС

Следующий шаг на пути создания нанороботов состоит в построении простейших НЭМС. Именно благодаря НЭМС становится возможным манипулирование с наноразмерными объектами нанорразмерными инструментами, измерение массы порядка фемтограмма и силы на уровне пиконьютона, создание колебаний порядка гигагерца.

Примеры структур и механических моделей линейных нанодвигателей, основанных на двустороннем и консольном закреплении МСНТ, а также на продольном и поперечном движении телескопических МСНТ представлены на рисунке 8. Электростатическая сила, ван-дер-ваальсово взаимодействие, суммарная сила трения между соями обозначены F_e, F_vdW и F_rсоответственно.

Рис.8. Наноустройства, основанные на межслоевом скольжении цилиндров МСНТ. (а) Призматический нанодвигатель на основе МСНТ, закреплённой с двух сторон. (b) Призматический нанодвигатель на основе консольно закреплённой МСНТ. (с) Линейный нанодвигатель на основе продольного движения внутренней трубки МСНТ. (d) Линейный нанодвигатель на основе поперечного движения внутренний трубки МСНТ. (е) Призматический нанодвигатель со встроенной позиционной чувствительностью на основе полевой эмиссии. (f) Типичный график зависимости I-V для телескопической нанотрубки, где межэлектродная щель составляет 1000 нм. Вкладка: изменение тока эмиссии со временем при 120 В.

Смещение слоёв нанотрубки можно контролировать приложением электростатической силы. Межатомное связывание вызывает трение при движении внешнего цилиндра МСНТ, но экспериментально доказано, что скольжение внутренних слоёв происходит практически без потери энергии. Выталкивание внутренних трубок из МСНТ наблюдалось экспериментально. Из-за того, что скольжение слоёв происходит практически без трения, возможна их осцилляция с частотой порядка гигагерца [50,88].

Рассмотрим подробнее конфигурацию системы, изображённой на рисунке 8е. Открытая МСНТ с внутренней закрытой трубкой закрепляется с помощью EBID технологии на зонде AFM, выступая в роли катода. Субстрат играет роль анода. На рисунке G – расстояние между субстратом и зондом AFM. Начальная длина нанотрубки l₀ будет изменяться на dl до значения l, когда сила электростатического взаимодействия между ядром и противоэлектродом будет превосходить суммарную энергию межслоевого трения и ван-дер-ваальсового взаимодействия между ядром и катодом. Таким образом, щель между концом нанотрубки и анодом, g, будет изменяться, в то время как расстояние G будет оставаться постоянным. С помощью схемы, изображённой на рисунке 8е, была измерена полевая эмиссия. На рисунке 8f приведена типичная зависимость I-V для телескопической нанотрубки (микрофотография на вкладке рисунка 8f), когда G=1000 нм. Каждая точка была снята в среднем для 100 образцов, временной интервал составил 9 секунд. На вкладке приведена временная зависимость тока эмиссии при постоянном напряжении 120 В. Видно, что на графике I-V наблюдается особенность в области напряжений 115 – 135 В. В зависимости от строения используемой нанотрубки можно создавать различные устройства.

Выводы

Мы рассмотрели технологический процесс использования УНТ в нанорбототехники. В работе описаны способы нанесения на электроды таких структур, как МСНТ, ДСНТ, УНТ, итеркаллированные медью, провоа из УНТ, с использованием метода DEP. Показано, что роботоизированная сборка является эффективной для соединения нанотрубок. Продемонстрировано, как меняются механические и электрические свойства для нанотрубок при изменении строения слоёв. Доказано, что под действием небольшого внешнего напряжения внутри нанотрубки происходит контролируемый массоперенос меди. Рассчитанная скорость массопереноса составила 0.12 фг/с. Исследованы различные НЭМС, в том числе, линейный нанодвигатель со встроенной позиционной чувствительностью. Все эти устройства могут служить как в качестве элементов более сложных структур, инструментов, сенсоров и актюаторов, так и выполнять самостоятельные операции в наноробототехнике будущего.

Нанороботетехника является очень перспективной областью науки, но таит в себе много подводных камней из-за наличия непредсказуемых размерных эффектов. Только решив такие задачи, как конструирование сложных систем из простых, калибровка сверхчувствительных сенсоров, управление сверхбыстрыми актюаторами, можно двигаться дальше. Хотя будущее пока и остаётся для нас загадкой, можно с уверенностью утверждать, что наноробототехника будет и дальше развиваться, а создаваемые структуры, инструменты, сенсоры и системы будут давать нам возможность всё глубже и глубже изучать и понимать наномир.

Список литературы

1. Feynman, R. P., Caltech. Eng. Sci. (1960) 23, 22
2. Crichton, M., Prey, Avon Books, New York, (2002)
3. Drexler, K., Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation, Wiley, New York, (1992)
4. Freitas, Jr., R. A., Nanomedicine, Vol. I: Basic Capabilities, Landes Bioscience, Austin, (1999)
5. Asimov, I., Fantastic Voyage, Bantam, New York, (1966)
6. Binnig, G., et al., Phys. Rev. Lett. (1982) 49, 57
7. Iijima, S., Nature (1991) 354, 56
8. Baughman, R. H., et al., Science (2002) 297, 787
9. Wang, N., et al., Nature (2000) 408, 50
10. Yu, M. F., et al., Phys. Rev. Lett. (2000) 84, 5552
11. Treacy, M. M. J., et al., Nature (1996) 381, 678
12. Yakobson, B. I., et al., Am. Scientist (1997) 85, 324
13. Wong, E. W., et al., Science (1997) 277, 1971
14. Krishnan, A., et al., Phys. Rev. B (1998) 58, 14013
15. Poncharal, P., et al., Science (1999) 283, 1513
16. Yu, M. F., et al., Science (2000) 287, 637
17. Salvetat, J. P., et al., Phys. Rev. Lett. (1999) 82, 944
18. Yakobson, B. I., et al., Phys. Rev. Lett. (1996) 76, 2511
19. Walters, D. A., et al., Appl. Phys. Lett. (1999) 74, 3803
20. Cumings, J., et al., Science (2000) 289, 602
21. Kolmogorov, A. N., et al., Phys. Rev. Lett. (2000) 85, 4727
22. Kis, A., et al., Phys. Rev. Lett. (2006) 97, 025501
23. Rinzler, A. G., et al., Science (1995) 269, 1550
24. De Heer, W. A., et al., Science (1995) 270, 1179
25. Saito, R., et al., Phys. Rev. B (1992) 46, 1804
26. Ebbesen, T. W., et al., Nature (1996) 382, 54
27. Dai, H. J., et al., Science (1996) 272, 523
28. Liang, W. J., et al., Nature (2001) 411, 665
29. Frank, S., et al., Science (1998) 280, 1744
30. Kim, P., et al., Phys. Rev. Lett. (2001) 87, 215502
31. Tombler, T. W., et al., Nature (2000) 405, 769
32. Kong, J., et al., Science (2000) 287, 622
33. Zhou, C. W., et al., Science (2000) 290, 1552
34. Li, C. Y., et al., Nanotechnology (2006) 17, 4624
35. Dai, H. J., et al., Nature (1996) 384, 147
36. Hafner, J. H., et al., Nature (1999) 398, 761
37. Hafner, J. H., et al., J. Phys. Chem. B (2001) 105, 743
38. Kim, P., et al., Science (1999) 286, 2148
39. Saito, R., et al., Phys. Rev. B (1996) 53, 2044
40. Chico, L., et al., Phys. Rev. Lett. (1996) 76, 971
41. Menon, M., et al., Phys. Rev. Lett. (1997) 79, 4453
42. Tans, S. J., et al., Nature (1998) 393, 49
43. Bachtold, A., et al., Science (2001) 294, 1317
44. Yao, Z., et al., Nature (1999) 402, 273
45. Postma, H. W. C., et al., Science (2001) 293, 76
46. Fuhrer, M. S., et al., Science (2000) 288, 494
47. Rueckes, T., et al., Science (2000) 289, 94
48. Cumings, J., et al., Nature (2000) 406, 586
49. Zheng, Q. S., et al., Phys. Rev. B (2002) 65, 245409
50. Zheng, Q. S., et al., Phys. Rev. Lett. (2002) 88, 045503
51. Jensen, K., et al., Phys. Rev. Lett. (2006) 96, 215503
52. Forro, L., Science (2000) 289, 560
53. Deshpande, V. V., et al., Nano Lett. (2006) 6, 1092
54. Yan, Q. M., et al., Appl. Phys. Lett. (2006) 88, 173107
55. Maslov, L., Nanotechnology (2006) 17, 2475
56. Kang, J. W., et al., Nanotechnology (2007) 18, 095705
57. Dong, L. X., et al., IEEE Trans. Autom. Sci. Eng. (2006) 3, 228
58. Fennimore, A. M., et al., Nature (2003) 424, 408
59. Bourlon, B., et al., Nano Lett. (2004) 4, 709
60. Cumings, J., et al., Phys. Rev. Lett. (2004) 93, 086801
61. Supple, S., et al., Phys. Rev. Lett. (2003) 90, 214501
62. Kral, P., et al., Phys. Rev. Lett. (1999) 82, 5373
63. Ajayan, P. M., et al., Nature (1993) 361, 333
64. Tsang, S. C., et al., Nature (1994) 372, 159
65. Ajayan, P. M., et al., Phys. Rev. Lett. (1994) 72, 1722
66. Smith, B. W., et al., Nature (1998) 396, 323
67. Ajayan, P. M., et al., Nature (1995) 375, 564
68. Gao, Y. H., et al., Nature (2002) 415, 599
69. Ugarte, D., et al., Science (1996) 274, 1897
70. Svensson, K., et al., Phys. Rev. Lett. (2004) 93, 145901
71. Zhang, Y. G., et al., Appl. Phys. Lett. (2001) 79, 3155
72. Ahn, J. H., et al., Science (2006) 314, 1754
73. Liu, X. L., et al., Nano Lett. (2006) 6, 34
74. Subramanian, A., et al., Nanotechnology (2007) 18, 075703
75. Tao, X. Y., et al., Nanotechnology (2006) 17, 224
76. Chung, J. Y., et al., Langmuir (2004) 20, 3011
77. Subramanian, A., et al., Micro and Nanorobotic Assembly Using Dielectrophoresis. In: Robotics: Science and Systems I, edited by Thrun, S., et al., (eds.), MIT Press, Cambridge, (2005), 327
78. Fukuda, T., et al., Proc. IEEE (2003) 91, 1803
79. Dong, L. X., et al., Appl. Phys. Lett. (2002) 81, 1919
80. Dong, L. X., et al., Nano Lett. (2007) 7, 58
81. Collins, P. C., et al., Science (2001) 292, 706
82. Dong, L. X., et al., IEEE/ASME Trans. Mechatron. (2004) 9, 350
83. Bourlon, B., et al., Phys. Rev. Lett. (2004) 92, 026804
84. Collins, P. G., et al., Phys. Rev. Lett. (2001) 86, 3128
85. Lee, Y. H., et al., Appl. Phys. Lett. (2006) 89, 073109
86. Huang, J. Y., et al., Phys. Rev. Lett. (2005) 94, 236802
87. Molhave, K., et al., Nano Lett. (2006) 6, 1663
88. Zheng, Q. S., et al., Phys. Rev. B (2002) 65, 245409
89. Subramanian, A., et al., Appl. Phys. A (2007) 89, 133
90. Dong, L. X., et al., Engineering Multi-Walled Carbon Nanotube Shells by Electric Breakdown. In: Proceedings of European Nano Systems 2006 (ENS2006), Paris, France, (2006), 25
91. Yuzvinsky, T. D., et al., Nano Lett. (2006) 6, 2718
92. Huang, J. Y., et al., Nature (2006) 439, 281
93. Huang, J. Y., et al., Phys. Rev. Lett. (2007) 98, 185501
94. Ding, F., et al., Nano Lett. (2007) 7, 681
95. Ding, F., et al., Phys. Rev. Lett. (2007) 98, 075503
96. Tao, X. Y., et al., Diamond Relat. Mater. (2006) 15, 1271
97. Weissmann, M., et al., Phys. Rev. B (2006) 73, 125435
98. Sun, L., et al., Science (2006) 312, 1199
99. Xu, S. Y., et al., Small (2005) 1, 1221
100. Yokota, T., et al., Phys. Rev. Lett. (2003) 91, 265504
101. Matsui, S., et al., J. Vac. Sci. Technol. B (2000) 18, 3181
102. Regan, B. C., et al., Nature (2004) 428, 924

Перевод: Батук Д.Н., Ефремова М.М.