Домой Hi-Tech

В IBM создали 3D-карту Земли

Земля в масштабе меньше глобуса? Это реально, и даже еще меньше. Специалисты компании IBM создали 3D-карту поверхности Земли столь малых размеров, что 1000 таких карт можно одновременно уместить на одном среднем по размерам кристалле соли.

Ученые сделали это благодаря новой революционной технологии с использованием крошечного кремниевого наконечника с заостренной вершиной (толщина которого в 100 000 раз меньше, чем толщина заостренной вершины карандаша), предназначенного для создания образцов и структур различной сложности с разрешением 15 нм. Стоит отметить, что новая технология копирования образов на наномасштабах имеет очень низкую стоимость. Она открывает принципиально новые возможности в создании нанообъектов в микро- и наноэлектронике, производстве чипов, медицине, оптоэлектронике, что дает на будущее очень широкие перспективы применения новой технологии.

Для демонстрации новой технологии копирования группа специалистов использовала несколько 2D и 3D-образцов, используя различные материалы для каждого образа, как это описано в статьях журналов Advanced Materials [1] и Science [2]:

Рис. 1. Точная копия (высота образа 25 нм) горы Маттерхорна – известной Альпийской горы с высотой 4478 м, была создана в молекулярном стекле, с масштабом 1:5*109;
Рис. 2. Полная 3D-карта мира (характерные размеры 22 на 11 мкм) была создана на поверхности полимера. При этих размерах 1000 таких карт мира могут уместиться по периметру кристалла соли с шириной грани, равной 0.3 мм. Перепад высоты земной поверхности в 1000 метров отображалось изменением высоты поверхности, равным 8 нм. Карта содержит 500000 пикселей, каждый площадью 20 нм2 и была создана за 2 мин 23 секунды.

Физическая основа новой технологии

Основным компонентом новой технологии копирования является крошечный силиконовый наконечник, длиной 500 нм и шириной всего лишь несколько нм.

Развитие сферы нанотехнологий тесно связано с существованием высококачественных методов и инструментов, предназначенных для создания образов наномасштабов и объектов на поверхностях,« – сказал доктор Армин Нолл (Armin Knoll) сотрудник отдела исследований компании IBM г. Цюрих. “С учетом широких функциональных возможностей и уникальной 3D-способностью копирования, эта нанотехнология олицетворяет собой мощный инструмент для создания наноструктур.»

Рис. 3. Кремниевый датчик и кантилевер (иллюстрация Исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе).

Наконечник, подобный по внешнему виду наконечнику, используемому в атомных микроскопах, присоединен к консоли, что обеспечивает просмотр поверхности материала (подложки) с точностью одного нанометра. Применяя высокую температуру и силу, наконечник наномасштабов может удалять материал, нанесенный на подготовленный образец, таким образом, работая подобно фрезерному станку с ультравысокой точностью.

Удаляя лишний материал, можно создавать сложные 3D структуры с точностью до нанометра, путем модулирования приложенной силы и отражая индивидуальные области. Например, чтобы создать точную 3D-копию Маттерхорна, 120 индивидуальных слоев материала были последовательно удалено с поверхности молекулярного стекла.

Рис. 4. Установка, использованная для создания наноструктур (фото Майкла Лоури).

Сравнение новой технологии с технологией электронного луча

Новая технология от IBM имеет высокое разрешение – 15 нанометров, и потенциальную возможность его увеличения. Используя существующие методы, такие как литография электронных пучков, становится все более и более интересным изготовление образцов с разрешением 30 нм, где достигается потолок возможностей данного метода.

Более того, по сравнению с дорогими инструментами (например, устройство для электронной литографии), которые требуют нескольких этапов обработки и дополнительного оборудования, которое может легко заполнить целую лабораторию, инструмент, созданный учеными IBM, можно разместить на поверхности стола, который обеспечит улучшенные и расширенные возможности создания образов при очень высоких разрешениях. Стоимость IBM инструмента составляет 1/5–1/10 стоимости инструментов, принцип работы которых основан на других методах.

Еще одно преимущество новой технологии – способность оценить размеры образца непосредственно, используя тот же самый наконечник, при создании образа записываемой структуры, продемонстрировали специалисты IBM в своих экспериментах.

Данная технология обязательно найдет применение как при создании быстрого прототипа чипа оперативной памяти, так и при создании опытных образцов оптических компонент и метаматериалов, благодаря изготовлению 3D-наночастиц с соответствующими формами и объемами для наностержней и нанотрубок.

Материалы нового поколения

В своих двух публикациях, ученые описали свою новую 3D-технологию нанокопирования, которую они опробировали на двух превосходных и много обещающих типах материалов подложки: полимере, названном полифталальдегид (polyphthalaldehyde) и молекулярное стекло. Они выполняли роль материалов подложки, используемых в обычных методах производства нанообъектов. Авторы новой технологии признаются, что использование этих двух материалов было залогом успеха в достижении столь высоких результатов.

При поиске подходящих и эффективных материалов для подложки, ученые сконцентрировали свое внимание на органических материалах, которые могут использоваться, как механические резисторы, по аналогии с общей идеологией создания полупроводниковых элементов, важной при их дальнейшей интеграции.

Молекулярное стекло, использовавшееся в эксперименте по созданиию горы Маттерхорна, состоит из молекул, структура которых подобна структуре снежинки. Эти молекулы имеют размеры порядка одного нанометра и имеют почти сферическую форму. При температуре наконечника выше 330oC, водородные связи, которые держат молекулы вместе, разрушаются, позволяя части молекул уйти с поверхности.

Специфическое преимущество материала – то, что образ с молекулярного стекла может быть перемещен посредством обычных методов гравюры, например, на кремний, который является обычным материалом в полупроводниковой промышленности. Следует отметить, что молекулярное стекло, как рабочий материал, было впервые предложено в конце 90-ых годов XX столетия Митсуру Уеда (Mitsuru Ueda) из университета Ямагаты (Япония). Идея использования его как рабочего материала была впоследствие развита Крисом Обером из Корнельского университета.

Миниатюрная 3D карта мира была создана в полимере – полифталальдегид. Этот полимер создан сотрудником IBM Хироши Ито (Hiroshi Ito) в 80-ых годах XX века. При плавном увеличении температуры, компоненты органической молекулы этого полимера распадаются на неустойчивые части. Самоподдерживающаяся реакция заставляет молекулу разлагаться, что ускоряет полный процесс копирования, будучи еще быстрее чем механическое движение наконечника.

Компания IBM и нанотехнологии

Компания IBM является пионером в нанофизике и нанотехнологии, начиная с 1981 года, когда сотрудниками компании Джердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Heinrich Rohrer) была поставлена задача сосздания нового туннельного микроскопа (STM). За создание этого инструмента, которое позволяло отображать отдельные атомы и впоследствие управлять ими, Бинниг и Рорер были удостоены Нобелевский премией по физике в 1986 году. Микроскоп, основанный на использовании межатомных взаимодействий, являющийся модификацией STM, был изобретен Биннигом в 1986. Иобретение туннельного микроскопа выского оценено в мире, как инструмент, который открыл дверь в наномир.

В апреле 1990 года сотрудник IBM Дон Эйглер (Don Eigler) сообщил о регистрации первого управляемого движения индивидуальных атомов, искуссно используя тунельный микроскоп, чтобы позволило выложить буквы «I B M» из 35 атомов ксенона.

Эти исторически значимые события положили твердую основу для длительного исследования IBM в нанонауке. Сегодня компания IBM строит новую научно-исследовательскую лабораторию мирового уровня, которая будет располагаться в университетском городке IBM исследований в Цюрихе. Это современный нанотехнологический центр будет открыт в мае 2011.

Источник (и):

  1. Interscience wiley
  2. Нанотехнологии России

Изображения:

[1] A. Knoll, D. Pires, O. Coulembier, P. Dubois, J. L. Hedrick, J. Frommer and U. Duerig Probe-based 3-D Nanolithography Using Self-Amplified Depolymerization Polymers” . – Advanced Materials Online Publication, DOI: 10.1002/adma.200904386 (23 April 2010).

[2] D. Pires, J. L. Hedrick, A. De Silva, J. Frommer, B. Gotsmann, H. Wolf, M. Despont, U. Duerig and A. W. Knoll Nanoscale 3D Patterning of Molecular Resists by Scanning Probes. – Science. – DOI: 10.1126/science.1187851 (22 April 2010).