Mikroskopigennembrud baner vejen for atomisk præcis fremstilling

En kandidatstuderende ved University of Texas i Dallas, hans rådgiver og industrisamarbejdspartnere mener, at de har løst et langvarigt problem, der har bekymret forskere og ingeniører i mere end 35 år:Hvordan man forhindrer spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop i at styrte ind i overfladen af ​​et materiale under billeddannelse eller litografi.

Detaljer om gruppens løsning blev vist i januarudgaven af ​​tidsskriftet Gennemgang af videnskabelige instrumenter , som er udgivet af American Institute of Physics.

Scanning tunneling mikroskoper (STM'er) fungerer i et ultrahøjt vakuum, at bringe en sonde med fin spids med et enkelt atom i spidsen meget tæt på overfladen af ​​en prøve. Når der påføres spænding på overfladen, elektroner kan springe eller tunnelere over hullet mellem spidsen og prøven.

"Tænk på det som en nål, der er meget skarp, atomisk skarp, " sagde Farid Tajaddodianfar, en maskiningeniørstuderende på Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Mikroskopet er som en robotarm, i stand til at nå atomer på prøveoverfladen og manipulere dem."

Problemet er, nogle gange styrter wolframspidsen ind i prøven. Hvis den fysisk rører ved prøveoverfladen, det kan utilsigtet omarrangere atomerne eller skabe et "krater, ", hvilket kunne beskadige prøven. Et sådant "spidsnedbrud" tvinger ofte operatører til at udskifte spidsen mange gange, mister værdifuld tid.

Dr. John Randall er adjungeret professor ved UT Dallas og præsident for Zyvex Labs, en Richardson, Texas-baseret nanoteknologiselskab med speciale i at udvikle værktøjer og produkter, der fremstiller strukturer atom for atom. Zyvex nåede ud til Dr. Reza Moheimani, professor i maskinteknik, for at hjælpe med at løse STM'ers problem med tipnedbrud. Moheimanis begavede stol var en gave fra Zyvex-grundlæggeren James Von Ehr MS'81, der blev hædret som en fremtrædende UTD-alumnus i 2004.

"Det, de forsøger at gøre, er at hjælpe med at bringe atomisk præcis fremstilling til virkelighed, sagde Randall, som var medforfatter til artiklen sammen med Tajaddodianfar, Moheimani og Zyvex Labs 'James Owen. "Dette betragtes som fremtiden for nanoteknologi, og det er ekstremt vigtigt arbejde."

Randall sagde, at en sådan præcis fremstilling vil føre til en lang række innovationer.

"Ved at bygge strukturer atom for atom, du er i stand til at skabe nye, ekstraordinære materialer, sagde Randall, som er medformand for Jonsson-skolens Industry Engagement Committee. "Vi kan fjerne urenheder og gøre materialer stærkere og mere varmebestandige. Vi kan bygge kvantecomputere. Det kan sænke omkostningerne radikalt og udvide mulighederne inden for medicin og andre områder. F.eks. hvis vi bedre kan forstå DNA på atomært og molekylært niveau, som vil hjælpe os med at finjustere og skræddersy sundhedsvæsenet efter patienternes behov. Mulighederne er uendelige. "

Ud over, Moheimani, en kontrolingeniør og ekspert i nanoteknologi, nævnte videnskabsmænd forsøger at bygge transistorer og kvantecomputere fra et enkelt atom ved hjælp af denne teknologi.

"Der er et internationalt kapløb om at bygge maskiner, enheder og 3-D udstyr fra atomet og op, " sagde Moheimani, James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology.

'Det er en stor, Stort problem'

Randall sagde, at Zyvex Labs har brugt en masse tid og penge på at prøve at forstå, hvad der sker med tipsene, når de går ned.

"Det er en stor, stort problem, " sagde Randall. "Hvis du ikke kan beskytte spidsen, du kommer ikke til at bygge noget. Du spilder din tid."

Tajaddodianfar og Moheimani sagde, at problemet er controlleren.

"Der er en feedback -controller i STM, der måler strømmen og bevæger nålen op og ned, "Sagde Moheimani." Du flytter fra et atom til et andet, hen over en ujævn overflade. Den er ikke flad. På grund af det, afstanden mellem prøven og spidsen ændres, ligesom strømmen mellem dem. Mens controlleren forsøger at flytte spidsen op og ned for at opretholde strømmen, det reagerer ikke altid godt, den regulerer heller ikke spidsen korrekt. Den resulterende bevægelse af spidsen er ofte ustabil. "

Det er feedback-controlleren, der ikke formår at beskytte spidsen mod at styrte ned i overfladen, sagde Tajaddodianfar.

"Når de elektroniske egenskaber er variable på tværs af prøveoverfladen, spidsen er mere tilbøjelig til at gå ned under konventionelle kontrolsystemer, " sagde han. "Det er meningen, at det skal være virkelig, virkelig skarp. Men når spidsen styrter ind i prøven, det går i stykker, krøller baglæns og flader.

"Når spidsen styrter ind i overfladen, Glem det. Alt ændrer sig."

Løsningen

Ifølge Randall, Tajaddodianfar tog logiske skridt for at skabe løsningen.

"Det geniale ved Tajaddodianfar er, at han så på problemet og forstod fysikken i tunneleringen mellem spidsen og overfladen, at der er en lille elektronisk barriere, der styrer hastigheden af ​​tunneling, " sagde Randall. "Han fandt ud af en måde at måle den lokale barrierehøjde på og justere forstærkningen på kontrolsystemet, som beviseligt holder spidsen ude af problemer. Uden det, spidsen støder bare sammen, styrter i overfladen. Nu, den tilpasser sig kontrolparametrene i farten. "

Moheimani sagde, at gruppen håber at ændre deres bane, når det kommer til at bygge nye enheder.

"Det er det næste for os. Vi satte os for at finde kilden til dette problem, og det gjorde vi. Og, vi har fundet en løsning. Det er ligesom alt andet i videnskaben:Tiden vil vise, hvor virkningsfuldt vores arbejde vil være, "Sagde Moheimani." Men jeg tror, ​​vi har løst det store problem. "