Саморегулирующиеся процессы

Саморегулирование является одной из наиболее общих закономерностей в природе. Оно осуществляется различными путями, но всегда должно обеспечивать наибольшую устойчивость системы. В нанотехнологии практическое применение получили самоупорядочение и самосборка.

Самоупорядочение – это процесс адсорбции и специфического расположения молекул на твердой поверхности. Его движущей силой является хемосорбция, когда происходит сильное взаимодействие между адсорбируемой молекулой и поверхностью и слабое – между самими молекулами. В органическом и неорганическом мире существует большое количество примеров самоупорядочения.

Пленки мономолекулярной толщины, образовавшиеся по механизму самоупорядочения, имеют очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и механически прочны. Их используют в качестве трафарета в литографических процессах. При этом нанометровое разрешение достигается с использованием сканирующих зондов в сканирующем туннельном или атомном силовом микроскопе.

Процесс, иллюстрирующий использование самоупорядочения для создания нанометровых элементов на кремниевой подложке, показан на рис. 4.1.

Рис. 1. Формирование наноразмерного рисунка с использованием самоупорядочивающейся мономолекулярной пленки: а – осаждение мономолекулярного слоя; б – создание рисунка зондом сканирующего туннельного микроскопа; в – осаждение палладиевого катализатора; г – осаждение никеля.

Перед нанесением пленки кремниевую подложку очищают и пассивируют водородом в растворе HF. Затем ее окунают в раствор органосиланового мономера и высушивают, с тем, чтобы сформировать на ее поверхности пленку мономолекулярной толщины, состоящую из молекул, один конец которых закрепляется на подложке, а другой образует новую поверхность. Созданную мономолекулярную пленку, типичная толщина которой составляет порядка 1 нм, обрабатывают по требуемому рисунку низкоэнергетическими электронами, инжектируемыми с зонда сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. После этого образец окунают в раствор с коллоидными частицами палладия, которые прикрепляются к необлученным областям пленки. Затем образец снова высушивают и помещают в ванну для электролитического осаждения никеля. Островки палладия на поверхности служат каталитическими центрами для осаждения никеля. За счет бокового роста никеля промежутки между палладиевыми островками заполняются, и образующаяся толстая пленка никеля имеет сплошную бездефектную структуру. Созданную таким образом профилированную металлическую пленку используют в качестве маски при последующем травлении. Практически достижимое разрешение составляет 15–20 нм.

Самосборка в объемных материалах

Самосборка – это определенное расположение взаимодействующих атомов в твердом теле. Спонтанная самосборка (самоорганизация), происходящая в объеме и на поверхности твердого тела, является эффективным нанотехнологическим средством, которое обеспечивает создание квантовых шнуров и квантовых точек.

Движущей силой самоорганизующихся процессов является стремление атомной системы принять конфигурацию, соответствующую минимуму ее потенциальной энергии. Из таких процессов в твердых телах наиболее значимым и часто используемым является процесс спонтанной кристаллизации. Кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. Поэтому любая аморфная фаза предрасположена к кристаллизации. Спонтанная кристаллизация широко используется для создания структур с квантовыми точками без использования литографических методов. Этим методом формируют нанокристаллиты в неорганических и органических материалах.