Pista de iones
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Campos de deformación (brillantes) alrededor de núcleos de pistas de iones en FeCr 2 O 4 .

Las pistas de iones son pistas de daño creadas por iones pesados ​​rápidos que penetran a través de los sólidos, que pueden ser lo suficientemente contiguos para el grabado químico en una variedad de sólidos cristalinos, vítreos y / o poliméricos. [1] [2] Están asociados con regiones de daño cilíndricas de varios nanómetros de diámetro [3] [4] y pueden estudiarse mediante espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS), microscopía electrónica de transmisión (TEM), dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) ), dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ) o permeación de gas . [5]

Tecnología de seguimiento de iones

La tecnología de pistas de iones se ocupa de la producción y aplicación de pistas de iones en microtecnología y nanotecnología . [6] Las pistas de iones se pueden grabar de forma selectiva en muchos sólidos aislantes, dando lugar a conos o cilindros de hasta 8 nanómetros de diámetro. [7] Los cilindros de pista grabados se pueden utilizar como filtros , [8] [9] Microcanales de contador de reja, [10] modificarse con monocapas , [11] o rellenarse mediante galvanoplastia . [12] [13]

La tecnología de seguimiento de iones se ha desarrollado para cubrir ciertas áreas de nicho donde falla la nanolitografía convencional , que incluyen:

  • Modelado directo de minerales , vidrios y polímeros resistentes a la radiación [2]
  • Generación de estructuras alargadas con un límite de resolución de hasta 8 nanómetros [7]
  • Generación directa de agujeros en películas delgadas sin ningún proceso de revelado [14]
  • Definición de la profundidad estructural por rango de iones en lugar de por espesor objetivo [15] [16]
  • Generación de estructuras con relación de aspecto (profundidad dividida por ancho) hasta 10 4 . [2]
  • Dar forma a materiales rígidos y flexibles con un ángulo de corte definido [17]
  • Explorando el reino de las texturas alineadas con ángulos de inclinación definidos [18]
  • Generación de patrones aleatorios que consisten en pistas únicas parcialmente superpuestas [19]
  • Generación de un gran número de estructuras individuales de vía única [20]
  • Generación de patrones dirigidos que consisten en pistas individuales individuales [21]

Materiales susceptibles a la grabación de pistas de iones

La clase de materiales de registro de seguimiento de iones se caracteriza por las siguientes propiedades: [2]

  • Alta homogeneidad : las variaciones de densidad local del material prístino deben ser pequeñas en comparación con el déficit de densidad del núcleo de la pista de iones. Los materiales ópticamente translúcidos , como el policarbonato y el fluoruro de polivinilideno , tienen esta propiedad. Los polímeros granulados como el politetrafluoroetileno no tienen esta propiedad.
  • Alta resistencia eléctrica : los minerales, vidrios y polímeros dieléctricos no conductores tienen esta propiedad, mientras que los metales y aleaciones altamente conductores no tienen esta propiedad. En los metales, la difusividad térmica se acopla con la conductividad eléctrica , suprimiendo la formación de un pico térmico.
  • Alta sensibilidad a la radiación : los polímeros tienen una alta sensibilidad a la radiación en comparación con los vidrios y los cristales iónicos. El efecto de radiación en los polímeros es causado por la cascada de electrones secundarios, que induce tanto la escisión de la cadena (que domina en el núcleo de la pista) como la reticulación (que domina en el halo de la pista).
  • Movilidad atómica baja : para el grabado selectivo de pistas de iones, el contraste de densidad entre la pista de iones latentes y el material prístino debe ser alto. El contraste se desvanece por difusión , dependiendo de la movilidad atómica . Las pistas de iones se pueden recocer. El borrado es más rápido en vasos en comparación con los cristales iónicos .

Aparatos y métodos de irradiación

Actualmente se utilizan varios tipos de generadores rápidos de iones pesados y esquemas de irradiación:

Las fuentes alfa y de fisión [22] [23] proporcionan haces de baja intensidad con una amplia distribución angular, de masa y de energía. El rango de los fragmentos de fisión emitidos se limita a aproximadamente 15 micrómetros en los polímeros. Lasfuentesdébiles de californio -252 o americio -241 [24] se utilizan para exploraciones científicas y tecnológicas. Son compactos, económicos y se pueden manipular de forma segura.
Irradiación con radionúclidos
Los reactores nucleares proporcionan fragmentos de fisión con amplias distribuciones angulares, de masa y de energía. Similar a las fuentes alfa y de fisión , el rango depenetraciónde los fragmentos de fisión emitidosestá limitado a aproximadamente 15 micrómetros en los polímeros. Los reactores nucleares se utilizan para laproducción de filtros .
Irradiación en el reactor nuclear
Los aceleradores de partículas de iones pesados proporcionan irradiaciones de haz paralelo a alta luminosidad con iones de masa, energía y ángulo de inclinación definidos. [25] [26] [27] Las intensidades están disponibles en amplios rangos, incluso hasta miles de millones de iones por segundo. Dependiendo de la energía disponible, se pueden producir longitudes de pista entre unos pocos y varios cientos de micrómetros. Los aceleradores se utilizan en micro y nanotecnología . La contaminación radiactiva está ausente a energías iónicas por debajo de la barrera de Coulomb . [28]
Irradiación en el acelerador de iones
Las irradiaciones de iones únicos se utilizan para fabricar micro y nanoestructuras individuales, como conos, canales, clavijas y cables. [20] La técnica requiere un haz de iones débil que se puede apagar después de que un ión ha penetrado en la lámina objetivo.
Sistema de iones únicos
Los microhaces de iones ofrecen el más alto nivel de control del proceso de irradiación. Éstos restringen la salida de un acelerador de iones pesado a un pequeño filamento que se puede escanear sobre la superficie de la muestra. Es posible trazar con iones pesados ​​rápidos individuales con una precisión de puntería de aproximadamente un micrómetro. [21]
Sistema de microhaz de iones

Formación de pistas de iones

Cuando un ión pesado rápido penetra a través de un sólido, deja un rastro de material irregular y modificado confinado a un cilindro de pocos nanómetros de diámetro. La transferencia de energía entre el ion proyectil pesado y los electrones objetivo ligeros se produce en colisiones binarias . Los electrones primarios desprendidos dejan una región cargada atrás, induciendo una cascada de colisión de electrones secundarios que involucra un número creciente de electrones de energía decreciente. Esta cascada de colisión de electrones se detiene cuando la ionización ya no es posible. La energía restante conduce a la excitación y vibración atómicas, produciendo ( calor ). Debido a la gran relación de masa protón-electrón, la energía del proyectil disminuye gradualmente y la trayectoria del proyectil es recta. [29] Una pequeña fracción de la energía transferida permanece como una pista de iones en el sólido. El diámetro de la pista de iones aumenta al aumentar la sensibilidad a la radiación del material. Se utilizan varios modelos para describir la formación de pistas de iones.

  • De acuerdo con el modelo de pico de explosión de iones [30], la ionización primaria induce una cascada de colisión atómica , [31] resultando en una zona desordenada alrededor de la trayectoria de los iones.
  • De acuerdo con el electrón cascada de colisión modelo de las secundarias electrones inducen un efecto de la radiación en el material, similar a una irradiación de electrones confinado espacialmente. [32] El modelo de cascada de colisión de electrones es particularmente adecuado para polímeros.
  • Según el modelo de pico térmico , la cascada de colisión de electrones es responsable de la transferencia de energía entre el ion proyectil y los núcleos objetivo. Si la temperatura excede la temperatura de fusión de la sustancia objetivo, se forma un líquido. El enfriamiento rápido deja un estado amorfo con densidad disminuida. Su desorden corresponde a la pista de iones. [3] [33]

El modelo de pico térmico sugiere que la sensibilidad a la radiación de diferentes materiales depende de su conductividad térmica y su temperatura de fusión.

  • Modelo de pico térmico La
    pista de iones corresponde al desorden congelado después de un rápido enfriamiento de la zona de fusión alrededor de la trayectoria de los iones. Temperatura representada por color. Trayectoria de iones vertical al plano de la imagen.

  • Pista de iones latentes en mica moscovita . Dependiendo de la potencia de frenado del ion del proyectil, el ancho de la pista es de entre 4 y 10 nanómetros.

  • Simulación de dinámica molecular de cascada de colisión en oro.

  • Umbral de grabado de seguimiento : entrada de energía necesaria para el grabado selectivo. Para los cristales iónicos, el umbral aumenta con la conductividad térmica. FeBSiC de metal amorfo incluido para comparación.

Métodos de grabado

Grabado selectivo de iones

El grabado selectivo de huellas de iones [2] está estrechamente relacionado con el grabado selectivo de los límites de los granos y las dislocaciones de los cristales.. El proceso de grabado debe ser lo suficientemente lento para discriminar entre el material irradiado y el prístino. La forma resultante depende del tipo de material, la concentración del grabador y la temperatura del baño de grabado. En cristales y vidrios, el grabado selectivo se debe a la densidad reducida de la pista de iones. En los polímeros, el grabado selectivo se debe a la fragmentación del polímero en el núcleo de la pista de iones. La zona del núcleo está rodeada por un halo de pista en el que la reticulación puede impedir el grabado de la pista. Después de eliminar el halo de la pista reticulado, el radio de la pista crece lineal en el tiempo. El resultado del grabado selectivo es un canal, un poro o un canal.

Grabado mejorado con surfactante

El grabado mejorado con tensioactivo se utiliza para modificar las formas de las pistas de iones. [34] Se basa en monocapas autoorganizadas . [11] Las monocapas son semipermeables a los iones solvatados del medio de grabado y reducen el ataque superficial. Dependiendo de la concentración relativa del tensioactivo y el medio de grabado, se obtienen poros de pista de iones de forma cilíndrica o cilíndrica. La técnica se puede utilizar para aumentar la relación de aspecto . [35]

Otra terminología relacionada

Irradiación y procesamiento repetidos : un proceso de irradiación y grabado en dos pasos que se utiliza para crear pozos perforados.

Los ángulos de irradiación arbitrarios imponen una anisotropía a lo largo de un eje de simetría específico.

Los canales multiangulares son redes interpenetrantes que constan de dos o más conjuntos de canales en diferentes direcciones.

  • Grabado a doble cara de la pista de iones con una relación de grabado de la pista de 5: 1.

  • Canales de pista de iones asimétricos con diámetro superior muy reducido.

  • Micropocillos con fondo perforado.

  • Dos membranas con diferente inclinación del canal (vertical y 45 grados).

  • Tres membranas perforadas en dos ángulos de puntal (± 10, ± 20, ± 45 grados).

Seguimiento de grabado de polímeros comunes [36]
MaterialpHGrabador húmedoSensibilizador 1)Desensibilizador 2)T / C 3)Velocidad 4)Selectividad 5)
ordenador personalbásicoNaOHUVAlcoholes50-80Rápido100-10000
MASCOTAbásicoNaOHUV, DMFAlcoholes50-90Rápido10-1000
básicoK 2 CO 380Lento1000
PibásicoNaOClNaOH50-80Rápido100-1000
CR39básicoNaOHUV50-80Rápido10-1000
PVDF 6)básicoKMnO 4 + NaOH80Medio10-100
PMMA 6)ácidoKMnO 4 + H 2 SO 450-80Medio10
PP 6)ácidoCrO 3 + H 2 SO 480Rápido10-100

1) Los sensibilizadores aumentan la relación de grabado de la pista rompiendo uniones o aumentando el volumen libre.
2) Los desensibilizadores reducen la relación de grabado de la pista. Alternativamente, las pistas de iones se pueden recocer térmicamente.
3) Rango de temperatura típico del baño de grabado. Las tasas de grabado aumentan considerablemente con la concentración y la temperatura.
4) El grabado axial depende de la velocidad de grabado de la oruga v t , el grabado radial depende de la velocidad de grabado general v g .
5) Selectividad (relación de aspecto, relación de grabado de pistas) = ​​velocidad de grabado de pistas / velocidad de grabado general = v t / v g .
6) Este método requiere eliminar los depósitos de óxido metálico restantes mediante soluciones acuosas de HCl.

Replicación

Las pistas de iones grabadas pueden ser replicadas por polímeros [37] o metales . [12] [38] La réplica y la plantilla se pueden utilizar como material compuesto . Una réplica se puede separar de su plantilla mecánica o químicamente. Las réplicas de polímeros se obtienen llenando la pista grabada con un precursor líquido del polímero y curando . El curado puede ser activado por un catalizador , por radiación ultravioleta o por calor . Réplicas de metal se puede obtener por deposición no electrolítica o por electrodeposición. Para la replicación de los poros pasantes, se deposita una película de cátodo en un lado de la membrana y la membrana se sumerge en una solución de sal metálica. La película del cátodo está cargada negativamente con respecto al ánodo, que se coloca en el lado opuesto de la membrana. Los iones metálicos positivos son empujados hacia el cátodo, donde atrapan electrones y se precipitan como una película metálica compacta. Durante la electrodeposición, los canales se llenan gradualmente de metal y las longitudes de los nanohilos están controladas por el tiempo de deposición. La deposición rápida conduce a alambres policristalinos, mientras que la deposición lenta conduce a alambres monocristalinos. Se obtiene una réplica independiente retirando la plantilla después de la deposición de una película de soporte en el lado del ánodo de la membrana.

Las redes de cables interpenetrantes se fabrican mediante electrodeposición en membranas grabadas en múltiples ángulos. Se obtienen redes tridimensionales independientes con complejidad sintonizable y conectividad entre cables. [39]

Los nanocables segmentados se fabrican alternando la polaridad durante la electrodeposición. [40] La longitud del segmento se ajusta mediante la duración del pulso. De esta forma se pueden ajustar las propiedades eléctricas, térmicas y ópticas.

  • Réplica de metal independiente de pistas de iones grabadas en PC

  • Red de cable interpenetrante

  • Paquete de nanocables de platino segmentados

Aplicaciones

Microtecnología : Las herramientas mecánicas comunesdel macromundo se están complementando y complementando y, en algunas aplicaciones, reemplazadas por haces de partículas . Aquí, los haces de fotones y electrones modifican la solubilidad de los polímeros sensibles a la radiación , los llamados " resiste ", mientras que el enmascaramiento protege un área seleccionada de la exposición a la radiación , el ataque químico y la erosión por impacto atómico . Los productos típicos producidos de esta manera son circuitos integrados y microsistemas . En la actualidad, el campo dela microtecnología se está expandiendo hacia la nanotecnología . Una rama reciente de la microfabricación se basa en la manipulación de iones individuales .

Geología: Las huellas de iones son útiles ya que pueden permanecer inalteradas durante millones de años en los minerales. Su densidad proporciona información sobre el momento en que el mineral se solidificó a partir de su fusión, y se utilizan como relojes geológicos en la datación de huellas de fisión.

Filtros : Los filtros homoporosos estuvieron entre las primeras aplicaciones [8] de la tecnología de seguimiento de iones y ahora son fabricados por varias empresas. [41] Beck y Schultz utilizaron membranas de mica con poros de seguimiento de iones para determinar el mecanismo de difusión obstaculizada en los nanoporos. [42] [43]

Clasificación de micro y nanopartículas : La resistencia de un canal lleno de un electrolito depende del volumen de la partícula que lo atraviesa. [10] Esta técnica se aplica al recuento y tamaño de glóbulos rojos individuales, bacterias y partículas de virus.

Sensor de pH : los canales cargados llenos de un electrolito tienen una conductividad superficial , además de la conductividad de volumen regular, del electrolito. Los iones adheridos a una superficie cargada atraen una nube de contraiones móviles. Los iones fijos y móviles forman una doble capa . Para canales pequeños, la conductividad de la superficie es responsable de la mayor parte del transporte de carga. Para canales pequeños, la conductividad de la superficie excede la conductividad del volumen . Las cargas superficiales negativas pueden estar ocupadas por protones firmemente unidos. A pH bajo(alta concentración de protones), la carga de la pared está completamente neutralizada. La conductividad superficial desaparece. Debido a la dependencia de la conductividad superficial del pH, el canal se convierte en un sensor de pH. [44]

Corriente rectificadora de poros : Los poros asimétricos se obtienen mediante grabado unilateral. La asimetría geométrica se traduce en una asimetría de conducción. El fenómeno es similar a una válvula eléctrica. El poro tiene dos estados de conducción característicos, abierto y cerrado. Por encima de un cierto voltaje, la válvula se abre. Por debajo de un cierto voltaje, la válvula se cierra. [45] [46]

Thermo-sensible canal : Se obtiene por el forro un canal con un gel termo-sensible . [47]

Bio-sensor : La modificación química de la pared del canal cambia su interacción con las partículas que pasan. Los diferentes revestimientos de paredes se unen a moléculas específicas y retrasan su paso. En este sentido, la pared reconoce la partícula que pasa. Como ejemplo, los fragmentos de ADN se unen selectivamente por sus fragmentos complementarios. Las moléculas adheridas reducen el volumen del canal. El cambio de resistencia inducido refleja la concentración de la molécula. [48]

Conducción anisotrópica : una plataforma cubierta con muchos cables independientes actúa como emisor de campo de área grande. [49]

Multicapas magnéticas : los nanocables que constan de capas alternas magnéticas / no magnéticas actúan como sensores magnéticos. Como ejemplo, los nanocables de cobalto / cobre se obtienen a partir de un electrolito que contiene ambos metales. A bajo voltaje, se deposita cobre puro mientras que el cobalto resiste la electrodeposición. A alto voltaje, ambos metales se depositan como una aleación. Si el electrolitocontiene predominantemente cobalto, una aleación magnética de cobalto-cobre se deposita con una alta fracción de cobalto. La conductividad eléctrica del cable multicapa depende del campo magnético externo aplicado. El orden magnético de las capas de cobalto aumenta con el campo aplicado. Sin campo magnético, las capas magnéticas vecinas prefieren el orden antiparalelo. Con campo magnético, las capas magnéticas prefieren la orientación paralela al campo magnético. La orientación paralela corresponde a una resistencia eléctrica reducida. El efecto se utiliza en los cabezales de lectura de los medios de almacenamiento magnéticos (el "efecto GMR"). [50]

Espintrónica : La estructura de la válvula de giro consta de dos capas magnéticas de diferentes espesores. La capa gruesa tiene una mayor estabilidad magnética y se utiliza como polarizador. La capa fina actúa como analizador. Dependiendo de su dirección de magnetización con respecto al polarizador (paralelo o antiparalelo), su conductividad es baja o alta, respectivamente. [51]

Texturas : Las texturas inclinadas con un recubrimiento hidrófobo son al mismo tiempo superhidrófobas y anisótropas, [18] y muestran una dirección de transporte preferida. Se ha demostrado que el efecto convierte la vibración en traslación. [52]

  • Pistas de iones grabadas

  • Canal de tránsito de partículas . La caída de corriente transitoria es proporcional al volumen de partículas.

  • Sensor de pH : el círculo móvil representa la sección transversal de un canal cargado negativamente. Izquierda: a pH bajo, todas las cargas superficiales están ocupadas por protones (baja conductividad). Derecha: a pH alto, todas las cargas superficiales están disponibles (alta conductividad).

  • El poro asimétrico transmite iones positivos preferentemente de derecha a izquierda.

  • Canal termosensible . El canal revestido de hidrogel se abre por encima y se cierra por debajo de la temperatura crítica del hidrogel.

  • Sensor bioespecífico . La resistencia eléctrica de un canal revestido con un inmunoreactante depende de la concentración de una molécula específica.

  • Matriz de emisores de campo

  • Magnetosensor multicapa .
    Campo magnético bajo : orientación antiparalela y alta resistencia.
    Alto campo magnético : orientación paralela y baja resistencia.

  • Spin Analyzer
    La pérdida de energía de los electrones con spin polarizado depende de la orientación magnética del analizador. Izquierda: polarizador (azul: giro). Derecha: analizador (azul: spin-up; rojo: spin-down).

  • Textura de pista inclinada con propiedades de transporte asimétricas.

Notas

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enlaces externos

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