Nanotehnologija 4. - Orodja in tehnike

Tehnike nanotehnologije vključujejo izdelovanje nanožic, ki se uporabljajo kot polprevodniki (npr. v ultravijolični litografiji). Vključuje tudi tehnike molekularnega zbiranja, izdelovanja ko-polimerov ipd. Vse tehnike so naredile nano dobo in lahko rečemo, da so podaljšek v znanstvenem napredku. Zanimivo je, da je morala nanotehnologija v precej večji meri kot ostale znanstvene panoge sama poskrbeti za razvijanje opreme.

Nanotehnologija in nanoznanost sta postali možni po letu 1910 z razvojem prvih orodij za merjenje in izdelovanje nanostruktur. Vendar se je sam razvoj začel z odkritjem elektronov in nevtronov, ki so pokazali znanstvenikom, da materija zares obstaja na tako majhni ravni. Elektroni so bili odkriti leta 1874, G. Johnstone Stoney pa je izraz uveljavil leta 1894. Nevtrone so prvič omenjali leta 1930, leta 1932 pa so bili uradno poimenovani in potrjeni z vrsto eksperimentov. Z odkritjem osnovnih delcev se je začelo razvijati zanimanje za nanostrukture.

Atomski mikroskop AFM (atomic force microscope) in mikroskop STM (scanning tunneling microscope) sta dve zgodnji poskušanji skeniranja, ki je pognalo nanotehnologijo še na višjo stopnjo. Sicer so tudi še drugi tipi skeniranja oziroma projiciranja nano zgradbe materialov. Na spodnji shemi je STM.

Večina tehnik mikroskopije izhaja iz idej t.i. protižariščnega mikroskopa (confocal microskope), ki je bil razvit v letu 1961 (Marvin Minsky). Pomemben je tudi mikroskop SAM, ki ga je razvil Kalvin Quate v sedemdesetih letih.

To je omogočilo videnje nanostruktur. Raziskovalno skeniranje je lahko prav tako uporabljeno za manipuliranje nanostruktur, a je to zelo počasen proces. To je vodilo k razvitju različnih tehnik nanolitografije. Llitografija je ''top-down'' tehnika izdelovanja, kjer se material zmanjša na velikost nano velikosti.

Najboljši top down pristop predvidi nanonaprave, ki morajo biti zgrajene košček za koščkom. Zelo pomembna tehnika je scanning probe microscopy za sintezo in karakterizacijo nanomaterialov.

Že omenjeni AFM in STM tehniki sta lahko uporabljeni za gledanje površja in premikanje atomov. Z načrtovanjem različnih tipov teh naprav so lahko uporabljene za izrezovanje struktur na površju, hkrati lahko pomagajo nadzorovati samo-združevalne strukture. Atomi se lahko prestavljajo naokoli s prej omenjeno scanning probe microscopy, ampak je ta dražja in časovno zapravljiva. Zaradi teh razlogov ni mogoče oblikovati nanostruktur atom za atomom. Sestavljanje milijarde čipov (tranzistorjev) na delovanju enega samega je neuporabno.

V kontrastu pa so bottom up tehnike razvile večje strukture atom za atomom ali molekulo za molekulo. Te tehnike združujejo kemično sintezo, samo-združevanje in pozicijsko združevanje. Še ena različica bottom up načina je MBE (molecular beam epitaxy). Raziskovalci iz Bell Telephone Laboratories so razvili in izvršili MBE kot raziskovalni pripomoček v šestdesetih in sedemdesetih. Vzorci, ki jih je naredil MBE, so bili bistveni za odkritje frakcijskega kvantnega Hall efekta za katerega so dobili 1988 Nobelovo nagrado iz fizike. MBE omogoča znanstvenikom, da postavijo do atoma natančne sloje atomov in v procesu gradijo zapletene strukture. MBE je prav tako zelo uporaben za pripravljanje vzorcev in naprav za novo področje t.i. spintronike (spintronics oziroma spin-based electronics). Nove tehnike kot je dual polarisation interferometry omogočajo merjenje molekularne interakcije, ki se odvijajo v nanovelikosti. Na spodnji sliki je shematsko prikazan ATM.