Способ формирования единичной металлической наноструктуры в ансамбле травленых каналов трековой мембраны

Способ формирования единичной металлической наноструктуры в ансамбле травленых каналов трековой мембраны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится области нанотехнологии, в частности к технике получения единичных наноструктур в виде металлических нанопроволочек, имеющих перспективу применения в качестве датчиков и сенсоров.

Известен способ [1] (который является и прототипом) гальванического синтезирования единичной наноструктуры в виде металлической нанопроволочки методом шаблонной технологии на базе одиночного травленого трека в полимерной пленке. Основным этапом в данном способе является получение полимерной пленки определенной и небольшой площади (около 3-5 см²) с единичным ионным треком. В этой связи определяющей проблемой формирования единичного трека на данной облучаемой площади является проблема выделения единичного иона из пучка ионов в ускорителе, падающего на заданную поверхность. Она решается путем, во-первых, предельно возможного уменьшения плотности ускоренных частиц в пучке ионов, во-вторых, специальной детекторной и электронной системами, обеспечивающих фиксацию попадания на пленку единичного иона и последующего блокирования облучаемой поверхности пленки от повторного попадания на нею другой частицы.

Основным, недостатком известного способа получения единичного трека в полимерной пленке является трудоемкость и значительные энергетические затраты для обеспечения условий формирования единичного иона в пределах заданной облучаемой площади полимерного образца.

Другим недостатком является низкая производительность в получении образцов с единичным треком и соответственно единичной наноструктуры на его основе. Более того, при наличии в образце-пленке единичного травленого трека возникают существенные проблемы в определении его размерного и морфологического параметров.

Цель настоящего изобретения состояла в разработке гальванического способа получения единичных металлических наноструктур на базе стандартных трековых мембран, имеющих высокую плотность (вплоть до 10⁸ см^-2) сквозных травленых треков заданного размера.

Согласно изобретению поставленная цель достигается путем использования гальванического осаждения металла в сквозные травленые каналы трековых мембран, собранных в многослойный сэндвич. Число трековых мембран в сэндвиче зависит как от исходной плотности, так и от размера сквозных травленых каналов в ТМ.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе трековые мембраны собирают в многослойный сэндвич, вакуумно-плотно прижимают друг к другу и к металлической подложке-катоду и производят гальваническое осаждение металла в сквозные травленые каналы трековых мембран.

Поскольку вероятность взаимной стыковки статистически распределенных сквозных травленых каналов в ТМ в образцах достаточно низкая, то в каждом последующем ТМ-образце, начиная от подложки-катода, число травленых каналов с гальванически осажденным металлическим осадком уменьшается, и на верхнем ТМ-образце создаются условия для формирования одиночной ноноструктуры.

Это позволяет использовать для гальванического синтезирования единичных металлических наноструктур стандартные трековые мембраны со статистически распределенными травлеными каналами необходимых размеров и практически неограниченной поверхностной плотности. Данное обстоятельство не требует использования особых физико-технических процедур при облучении полимерных пленок единичным ионом, поскольку используется обычный стандартный режим облучения рулонной полимерной пленки при промышленном производстве трековых мембран.

Простота получения единичных наноструктур позволяет не только эффективно проводить исследования их различных свойств в зависимости от размера и типа материала, что крайне актуально для нанонауки, но и использовать их в нанотехнологии при производстве различных датчиков и сенсорных устройств.

Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что в предлагаемом способе гальванического формирования единичной металлической наноструктуры в травленом канале трековой мембраны используется многослойный набор в виде "сэндвича" из стандартных трековых мембран со статистически распределенными травлеными каналами.

Указанный отличительный признак позволяет достичь названного технического результата - гальванического формирования единичной наноструктуры в ансамбле сквозных травленых каналов в стандартных трековых мембранах.

На фиг.1 приведена принципиальная схема способа производства единичных металлических наноструктур типа нанопроволочек на базе стандартных трековых мембран. 1 - набор (сэндвич) трековых мембран, 2 - металлическая подложка - катод, 3 - анод, 4 - электролитическая ячейка, 5 - электролит.

Процедура гальванического синтезирования одиночной наноструктуры в ансамбле травленых каналов ТМ сводится к следующему:

- из ТМ с заданным диаметром сквозных травленых каналов вырезаются несколько образцов (обычно 3-7) требуемой площади (1-5 см²), из которых делается сэндвич с плотно прижатыми друг к другу ТМ-образцами (1),

- затем этот сэндвич (1) вакуумно-плотно монтируется на металлической подложке-катоде (2), который размещается в электролитической ячейке (4) с соответствующим электролитом (5) и имеющей анод (3),

- после подключения к электродам (катоду (2) и аноду (3)) соответствующего напряжения процесс гальванического осаждения, прежде всего, происходит в каналах, имеющих общий выход от подложки-катода в объем электролита. В остальных каналах ТМ-образцов, задействованных в данном процессе, гальваническое осаждение происходит по мере наличия возможности их заполнения электролитом и замыкания соответствующей электрической цепи.

Поскольку вероятность взаимной стыковки статистически распределенных сквозных травленых каналов в ТМ в образцах достаточно низкая, то в каждом последующем ТМ-образце, начиная от подложки-катода, число травленых каналов с гальванически осажденным металлическим осадком уменьшается, и на верхнем ТМ-образце создаются условия для формирования одиночной ноноструктуры.

На фиг.2 приведены изображения гальванически заполненных сквозных каналов в "сэндвиче" ТМ-образцах, начиная от подложки-катода. Видно, что с удалением от подложки-катода число гальванически заполненных каналов соответственно уменьшается вплоть до формирования единичной наноструктуры.

На фиг.3 приведены примеры изображения в оптическом микроскопе линейного ряда гальванически выращенных медных нанопроволочек в сэндвиче из четырех ТМ (I, II, III и IV в соответствии с фиг.1). Видно, что по мере удаления от подложки-катода плотность наноструктур уменьшается. В последней (четвертой) ТМ наблюдаются единичные наноструктуры. При большем увеличении (вставки на фиг.3) видно, что на фоне незаполненных в гальваническом процессе сквозных травленых каналов, статистически распределенных на достаточно большой поверхности четвертого ТМ-образца (черные точки), сформирована единичная нанопроволочка с "грибком" на ее конце. Поскольку размер "грибка" может составлять единицы микрометров, то, во-первых, он легко визуализируется в оптическом микроскопе и, во-вторых, к нему достаточно просто подводить те или иные соединительные электрические системы и использовать данный композит (ТМ-образец + наноструктура) по назначению - для исследований их структуры и физико-механических свойств или для изготовления сенсоров или датчиков.

Таким образом, предложенный способ позволяет с высокой эффективностью и простотой гальванически формировать единичные металлические наноструктуры на базе стандартных трековых мембран и не требует сложной физической аппаратуры и больших трудозатрат для формирования единичных ионов в ускорителях заряженных частиц. Это открывает неограниченные возможности в проведении научных исследований на базе кванторазмерных металлических наноструктур, а также использовать их при производстве соответствующих датчиков и сенсоров.

Литература

1. N.Chtanko, M.E.Toimil Molares, Th.Cornelius, D.Dobrev, R.Neumann. Fabrication of etched single-ion-track templates for single-nanowire technology. J.Phys. Chem. B. 2004, 108 (28), 9950-9954.

1. Способ формирования единичной металлической наноструктуры в ансамбле травленых каналов трековой мембраны, включающий гальваническое осаждение металлического осадка в сквозные каналы трековых мембран, отличающийся тем, что трековые мембраны собирают в многослойный сэндвич, вакуумно-плотно прижимают друг к другу и к металлической подложке-катоду и производят гальваническое осаждение металла в сквозные травленые каналы трековых мембран.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что число трековых мембран в сэндвиче выбирают исходя из исходной плотности и размера сквозных травленых каналов в трековых мембранах, и составляет, по крайней мере, не менее трех и не более семи.