20.2.2 Наноприборы и наномашины

Актуаторы — это устройства, преобразующие электрическую энергию в механи­ческую, или наоборот. Известно, что однослойные углеродные нанотрубки при сообщении им электрического заряда деформируются. Создан основанный на этом свойстве актуатор, использующий лист из однослойных углеродных нанот­рубок, продольные оси которых лежат в плоскости листа, но случайным образом разориентированы друг относительно друга. Актуатор состоял из полос размером 3 х 20 мм и толщиной 25 — 50 мкм. Две полоски соединялись друг с другом с помо­щью двустороннего скотча, как показано на рис. 20.6. Изолирующий пластико­вый зажим скреплял листы сверху и фиксировал электрические контакты. Листы помещали в электролит из одномолярного раствора NaCl. Несколько вольт при­ложенного напряжения вызывает отклонение на конце актуатора до сантиметра, которое меняет направление на противоположное при изменении полярности на­пряжения, как показано на рис. 20.6. Подключение переменного напряжения вызывает колебания кантилевера. Этот тип актуатора называется биморфным пьезокантилеверным, потому что отклик устройства зависит от деформации про­тивоположных электродов. Строго говоря, этот актуатор не является ни NEMS-, ни MEMS-прибором, из-за больших размеров электродов. Однако он работает благодаря эффекту заряжания отдельных углеродных нанотрубок и показывает, что возможно создание наноразмерных актуаторов, использующих всего три од­нослойные углеродные нанотрубки. Две внешние трубки должны быть металли­ческими, а внутренняя — изолирующей. Они должны быть выставлены парал­лельно осям и находиться в плотном контакте. Хотя электронно-лучевую литографию можно использовать для получения кремниевых структур размером -10 нм и менее, производство наномашин в сколько-нибудь значительных количествах пока не организовано. Прежде чем будет достигнут существенный прогресс в технологии, необходимо преодо­леть ряд трудностей. Первая проблема — это связь с наноустройством и опреде­ление его положения. Вторая сложность состоит в скудности имеющихся све­дений о механическом поведении объектов, у которых до 10% атомов находят­ся на или около поверхности. Рассмотрим некоторые вопросы наномеханики подробнее.

Рис. 20.5. Кольцо из атомов железа на по­верхности меди, образующее «квантовый загон», собрано посредством STM-острия, как описано в тексте. Волновая структура внутри загона представляет собой поверх­ностное распределение электронной плот­ности, возникающее из-за наличия не­большого числа дискретных квантовоме-ханических энергетических уровней в круглой двумерной потенциальной яме.

Рис. 20.6. Схема актуатора, состоящего из двух листов однослойных нанотрубок, удерживаемых вместе двусторонним скот­чем. На рисунке показано состояние при положительном напряжении (справа), нейтральное состояние (в центре) и состо­яние при отрицательном напряжении (слева).

Резонансная частота f₀ балки, закрепленной одним концом, определяется вы­ражением

f₀= [E/ρ]^1/2 b/L²

где Е — модуль Юнга, ρ — плотность, b — толщина балки, a L — ее длина. Для ба­лок из поликристаллического кремния микрометрового размера результаты экс­периментальной проверки зависимости частоты от 1/L2 показаны на рис. 20.2. За­метим, что в микрометровом диапазоне частоты составляют сотни килогерц. Тог­да балка, имеющая длину 10 нм и толщину 1 нм, будет иметь резонансную частоту в 10⁵ раз больше, то есть порядка 20 — 30 ГГц. С уменьшением размеров и ростом частоты амплитуда колебаний падает, так что в этом частотном диапазоне смеще­ния свободного конца балки могут лежать в интервале от пикометров (10^-12 м) до фемтометров (10^-15 м).

Столь малые амплитуды колебаний да еще на таких высоких частотах детек­тировать весьма сложно. Оптические методы, используемые в микрометровом диапазоне для регистрации смещения кончика кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии, не применимы из-за дифракционного предела. Он наступа­ет, когда размер объекта, от которого отражается свет, становится меньше, чем длина волны света. Для регистрации перемещения в MEMS-устройствах обычно используют специальный первичный преобразователь (см. например схему аксе­лерометра на рис. 20.1). В упомянутом приборе деформация упругих элементов детектируется по изменению емкости, измеряемому электрической схемой. Не­ясно, возможно ли построить преобразователь, который сможет определять сме­щение всего 10^-15 — 10^-12 м на частотах до 30 ГГц. Эти проблемы представляют су­щественные препятствия для развития NEMS-устройств.

Существует, однако, несколько заслуживающих внимания преимуществ N EMS-устройств, которые создают хорошую перспективу их дальнейшего разви­тия. Малая эффективная масса нанометровой балки делает ее резонансную час­тоту чрезвычайно чувствительной к незначительным изменениям массы. Было показано, например, что собственная частота микрокантилеверов может реаги­ровать на адсорбцию небольшого числа атомов или единичных молекул на по­верхности. Это стало принципиальной основой для множества очень высокочув­ствительных датчиков.

В отсутствие трения груз на пружине колебался бы бесконечно долго с посто­янной амплитудой. Однако из-за сопротивления воздуха и внутреннего трения в пружине этого не происходит. Обычно сила трения (демпфирующая сила) про­порциональна скорости dx/dt осциллирующей массы М. Уравнение движения пружины записывается как:

(20.2)

где К — жесткость пружины.

При малых коэффициентах затухания b решением этого уравнения является выражение:

(20.3)

где ω — частота затухающих колебаний, определяемая формулой:

(20.4)

Уравнение (20.3) описывает систему, осциллирующую с определенной часто­той ω и амплитудой, экспоненциально уменьшающейся со временем. Смещение как функция времени показано на рис. 20.7а. Для колеблющейся закрепленной балки миллиметрового размера главным источником демпфирования является сопротивление воздуха, пропорциональное площади балки. Для случая нанометрового кантилевера эта площадь будет очень маленькой, что значительно пони­жает коэффициент затухания b.

Е

Рис. 20.7. Для затухающего гармонического осциллятора показаны: а) — зависи­мость смещения свободно колеблющегося осциллятора от времени (вы­нуждающая сила отсутствует), б) — зависимость амплитуды осциллятора при наличии вынуждающей силы от отношения вынуждающей частоты ω' к частоте собственных колебаний ω для различных значений коэффи­циента затухания b. F₀ — амплитуда вынуждающей силы

сли к гармоническому осциллятору приложена внешняя осциллирующая сила F₀cos(ω't), то при равенстве частот вынуждающей силы ω' и собственной ча­стоты ω₀ = (К/М)^-1/2 осциллятора происходит очень большое увеличение ампли­туды. Это явление называется резонансом. Рост амплитуды зависит от величины b в уравнении (20.2). Рис. 20.76 показывает, как величина b влияет на амплитуду резонанса: чем меньше b, тем уже резонансный максимум и больше увеличение амплитуды. Добротность Q для резонанса определяется выражением Q = ω₀/Δω, где Δω — это ширина резонансного пика на полувысоте, а ω ₀ — резонансная час­тота. Добротность — это запасенная энергия, отнесенная к рассеянной энергии за цикл, так что обратная величина добротности 1/Q является мерой рассеяния энергии. Наноразмерные кантилеверы имеют очень высокие значения добротно­сти Q и при колебаниях рассеивают мало энергии. Приборы на их основе облада­ют высокой чувствительностью к внешнему демпфированию, что существенно для их применения в качестве датчиков. Кроме того, они обладают низким уровнем термомеханических шумов, что означает возможность достижения вы­сокой реальной чувствительности при­бора. В обычных электрических уст­ройствах добротность порядка не­скольких сотен считается высокой, тогда как NEMS-осцилляторы могут иметь Q в 1000 раз больше. Другое пре­имущество NEMS-приборов — очень маленькое энергопотребление. Мощ­ности в пиковатт (10^-12 Вт) достаточно для работы NEMS- прибора с низким отношением сигнал/шум.

Рис. 20.9. Схема перекатывания адсорби­рованной молекулы С₆₀ (большие окружно­сти) по поверхности ионного кристалла со знакопеременными зарядами атомов (ма­ленькие окружности) внешним вращаю­щимся электрическим полем (стрелки).

Рис. 20.8. Иллюстрация предложенного ме­тода изготовления шестеренок путем при­крепления молекул бензола к внешней сто­роне углеродных нанотрубок.

Для оценки потенциала различных вариантов наномашин использовалось компьютерное моделирование. Рис. 20.8 демонстрирует идею изготовления ше­стеренок из нанотрубок. Зубьями шес­теренки могут быть молекулы бензола, присоединенные с внешней стороны нанотрубки. Ведущее зубчатое колесо в левой части рисунка заряжено таким образом, чтобы дипольный момент был ориентирован поперек оси трубки. Приложение переменного электричес­кого поля может заставить эту шесте­ренку вращаться. Ключевой частью любой наномашины является способ приведения ведущей шестеренки в движение. Так, для перекатывания молекулы С₆₀по поверхности (рис. 20.9) идеально плоского ионного кристалла (например хлорида калия) было предложено использовать электрическое поле, которое не требует контакта с наноструктурой. Приложение электрического по­ля будет поляризовать молекулу С₆₀, перемещая положительные и отрицательные заряды на противоположные стороны сферы, как показано на рисунке. Посколь­ку молекула имеет большую поляризуемость и большой диаметр, индуцируется большой электрический дипольный момент. Если взаимодействие между дипольным моментом и приложенным электрическим полем больше, чем взаимо­действие между молекулой и поверхностью материала, вращение вектора элект­рического поля вызовет перекатывание молекулы С₆₀ по поверхности.

Атомная силовая микроскопия (АРМ) использует ост­рую иглу, установленную на кончике кантилевера, которым сканируют поверх­ность материала на небольшой высоте, измеряя прогиб кантилевера. Кантилеверы производят фотолитографическими методами из кремния, диоксида крем­ния и нитрида кремния. Их типичные размеры — 100 мкм в длину и около 1 мкм в толщину, а жесткость — от 0,1 до 1,0 Н/м. Высокой чувствительности и разрешения можно добиться, работая в режиме квазиконтакта иглы с поверх­ностью.

Рис. 20.11. а) — индуцированная ультрафи­олетовым светом цис-транс изомеризация азобензола; б) — молекулярная машина, основанная на индуцированных светом изомерных превращениях азобензольного полимера, который сокращается при пере­ходе в цис- форму, вызывая изгиб кантилевера.

Рис. 20.10. Схема размещения однослой­ной углеродной нанотрубки на кантилеве-ре атомного силового микроскопа.

При этом измеряют изменение амплитуды смещений кончика кантилевера, осциллирующего вблизи часто­ты резонанса, при легком касании по­верхности зондом. Единственная сложность состоит в том, что если по­верхность слишком твердая, касание может сломать иглу. Группа из Rice University показала, что использование в качестве материала иглы углеродных нанотрубок может стать решением данной проблемы. Нанотрубка при­креплялась к игле обычного кремние­вого кантилевера сбоку с помощью мягкого акрилового клея, как показано на рис. 20.10. Если при ударе нанотруб­ки о поверхность возникает сила большая, чем критическая сила про­дольного изгиба, возникает неустойчи­вость Эйлера; нанотрубка изгибается, а не ломается и затем возвращается в исходное состояние. Склонность на­нотрубок к складыванию вместо разру­шения делает повреждение кончика маловероятным. Нанотрубка, исполь­зуемая в качестве зонда для АFМ, обладает еще одним полезным свойством: она служит в качестве демпфера, который смягчает удар при каждом касании поверх­ности. Такой зонд может быть применен и в контактных режимах измерения нор­мальной и латеральной компоненты сил взаимодействия с поверхностью. Благо­даря малому поперечному сечению и большому отношению длины к диаметру та­кого зонда, он может проникать в глубокие канавки на поверхности, которые недоступны для обычных зондов. Электропроводные нанотрубки могут исполь­зоваться и как зонды для сканирующей туннельной микроскопии.

Молекула азобензола, изображенная на рис. 20.11а, при облучении светом длиной волны 313 нм может изменить свою конформацию с транс-изомерной на цис-изомерную. Изомеры — это молекулы, состоящие из одинаковых атомов и имеющие то же самое количество связей, но различную равновесную конфигу­рацию. Облучая цис-изомер светом с длинной волны более 380 нм, можно вер­нуть цис-форму в первоначальную транс-форму. Эти две формы различаются оп­тическим спектром поглощения. Заметим, что цис-изомер короче, чем транс­изомер. Азобензол можно полимеризовать, и в полимерной форме он также может подвергаться транс-цис превращению под действием 365-нанометрового излучения. Когда это происходит, длина полимерной цепочки уменьшается. Группа из Мюнхенского Университета построила молекулярную машину, осно­ванную на фотоизомеризации азобензольного полимера. Они прикрепили моле­кулу полимера в транс-форме к кантилеверу в атомном силовом микроскопе, как показано на рис. 20.11б, а потом облучили его светом с длиной волны 365 нм, за­ставив полимер сжаться и изогнуть балку. Облучение светом с длинной волны 420 нм возвращает полимер в транс-форму, позволяя балке вернуться в исходное положение. При попеременном облучении полимера импульсами света 420 и 365 нм балка будет совершать колебания. Это — первая демонстрация искусст­венной одномолекулярной машины, которая преобразует энергию света в физи­ческую работу.