Способ проведения нанотехнологической реакции и устройство для его осуществления - RU2121730C1

Чертежи

Описание

Предлагаемое изобретение относится к нанотехнологии, а более точно к способу проведения нанотехнологической реакции и устройству для его осуществления, и может быть использовано для проведения локальных химических реакций в нанотехнологических процессах синтеза веществ с заданными свойствами, в электронике для безнапылительного и безлитографического формирования электронных схем, в микромеханике для изготовления микромеханизмов и различных исполнительных устройств, в технике печати для осаждения красящих веществ на поверхность различных носителей, в медицине и других областях.

К современному нанотехнологическому оборудованию предъявляются требования по увеличению локальности проводимых нанотехнологических процессов и разнообразию видов воздействия. Однако большинство известных в настоящее время методов проведения нанотехнологических процессов и устройств, в которых они реализуются, основаны на использовании зонда сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), в частности сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), и подложки из проводящего материала.

Так, известен способ записи информации (патент США) 5446720, МПК⁶ G 11 B 9/00, НКИ США 369/126), согласно которому поверхность подложки из электропроводящего материала с нанесенным на нее технологическим веществом сканировали острием, в частности зондом СТМ, прикладывая напряжение в импульсном режиме между вершиной зонда и подложкой. В результате создания высокого электрического поля и расположения зонда над подложкой на туннельно - прозрачном расстоянии вершина зонда становилась точечным источником электронов. При этом на веществе, находящемся на поверхности подложки, записывали биты информации, причем каждый бит формировался из дух или более видов структурных изменений веществ в соответствии с записываемой информацией.

В известном способ исходное вещество и продукты нанотехнологической реакции находятся на электроде - подложке, что не позволяет записывать информацию на другом носителе с другими свойствами проводимости. Такие ограничения существенно сужают возможности известного способа.

Известен также способ проведения нанотехнологической реакции, принятый за прототип ("Journal Vacuum Technology", B 6(6), Nov/Dec 1988, p.1877), осуществляемый путем подачи вещества в зону реакции между электродами и его локальной активации с последующим приемом синтезированных продуктов нанотехнологической реакции. Локальная активация вещества происходит за счет подачи энергии в зону реакции.

В известном способе, так же как и в описанном ранее, используются электроды, один из которых выполнен в виде острия, а другой - плоским в виде подложки. Именно в зоне между вершиной острия и подложкой осуществляется локальная активация вещества, а прием продуктов реакции осуществляется на электрод - подложку, т.е. в ту же зону, где происходит нанотехнологическая реакция.

Согласно известному способу в зону между электродами напускали газообразное металлоорганическое вещество W(CO)₆ и создавали электрическое поле, в результате чего происходило осаждение вещества на плоский электрод - подложку.

В процессе проведения реакции осаждения происходило накопление продуктов реакции на подложке, что изменяло характеристики обоих электродов. При этом происходило изменение профиля острия, т.к. вместо точечной вершины образовывалось шаровидное наслоение, ухудшалась разрешающая способность процесса, изменялись геометрические размеры зоны проведения нанотехнологической реакции, изменялись напряженности электрических полей и т.д.

В связи с тем, что продукты реакции накапливаются на электроде - подложке, то оказывается принципиально невозможно использовать подложку из диэлектрического или полупроводникового материала, т.е. невозможно решить проблему осаждения продуктов реакции на таких материалах.

Наряду с этим, использование подложки накладывает ограничения на материал, из которого она выполнена. При определенных условиях, например при высокой напряженности поля, подложка может расплавиться, а в других случаях, при проведении реакции с агрессивными веществами, может произойти ее травление и разрушение.

Распределение энергетической полей таково, что на участке подложки напротив острия образуется энергетическая "яма", вследствие чего заряженные молекулы или атомы вещества, влетая в "яму", ускоряются, что уменьшает их время нахождения в зоне реакции. Это явление приводит к уменьшению времени нахождения частиц вещества в зоне локальной активации и, следовательно, к уменьшению выхода продуктов реакции, которые должны осаждаться на подложке.

Одновременно в известном способе невозможно обеспечить локализованную передачу радио-, или СВЧ-, или оптического излучений в зону локальной активации без рассеяния и дифракции при вводе излучения, что значительно увеличивает размер зоны активации.

Кроме того, в известном способе невозможно производить нанотехнологическую реакцию с веществом, содержащем разные составляющие, активно реагирующие друг с другом, то есть по сути с разными веществами, так как отсутствует возможность их раздельной транспортировки к зоне реакции. В случае использования однородного вещества неэффективно осуществлять направленную локальную транспортировку в зону активации, так как вещество, преимущественно газообразное, заполняет весь технологической объем, что существенно увеличивает расход вещества.

Все названные выше особенности известного способа накладывают ограничения на возможности проведения нанотехнологических реакций.

Известно устройство для считывания информации (патент США 5047633, МПК³ H 01 J 37/00, НКИ США 250/360), содержащее плоский электрод из электропроводящего материала и группу зондов, установленных на туннельно - прозрачном расстоянии от плоских электродов. Зонды и плоский электрод подключены к источнику напряжения.

При создании электрического поля и сканировании зондами поверхности подложки происходило считывание информации о рельефе подложки. Такая конструкция исключает возможность считывания информации при использовании изолирующей подложки.

Известно устройство для проведения нанотехнологической реакции, принятое за прототип (журнал "Электронная промышленность "N 3, 1991, с. 33. Вернер В. Д. и др. Формирование функциональных структур с помощью туннельного микроскопа), содержащее два основных электрода, один из которых выполнен в виде острия и установлен на основании из изоляционного материала, и средство возбуждения, связанное с основными электродами.

В известном устройстве другой основной электрод выполнен плоским и представляет собой подложку для приема продуктов нанотехнологической реакции, т. е. подложка одновременно является электродом и средством для приема продуктов реакции. В качестве средства возбуждения использовался источник напряжения.

В известном устройстве острие представляет собой зонд СТМ, который установлен на пьезоманипуляторе. Подложка установлена на рабочем столе, в котором выполнены вертикальные отверстия, через которые газообразное или жидкое вещество подается во внутреннюю полость устройства.

При этом газообразное вещество заполняет весь внутренний объем, а жидкое - располагается слоем на подложке. При расположении зонда на туннельно-прозрачном расстоянии от подложки и создании между ними электрического поля осуществляется локальная стимуляция химической реакции.

В известном устройстве, так же как и в описанном выше, используется электродная пара зонд - подложка, что требует выполнения подложки исключительно из электропроводящего материала. Проведение нанотехнологической реакции без подложки или с изолирующей подложкой принципиально невозможно в таком устройстве.

Вследствие накопления продуктов реакции на подложке, т.е. в зоне проведения нанотехнологической реакции, происходит изменение геометрических размеров этой зоны, а также других физических характеристик процесса и свойств самих электродов, что накладывает ограничения на возможности известного устройства.

При использовании в известном устройстве газообразного технологического вещества происходит заполнение им всего объема, что требует больших расходов газа и приводит к малой эффективности его использования.

Кроме того, конструкция устройства такова, что в нем невозможно осуществить локализованную передачу радио-, или СВЧ-, или оптического излучения в зону активации без рассеяния электрических полей и дифракционных эффектов при вводе излучения из окружающего пространства.

Следует также отметить, что в известном устройстве невозможно проводить нанотехнологическую реакцию с веществом, содержащем разные компоненты, или с разными веществами, так как в нем отсутствуют средства их доставки в зону реакции. Кроме того, для проведения такого процесса для каждого вещества необходимо создать различные условия для его активации, что также невозможно в известном устройстве.

В основу изобретения положена задача разработать способ проведения нанотехнологической реакции, в котором за счет приема продуктов нанотехнологической реакции в зоне, отличной от зоны реакции, обеспечивались бы стабильные характеристики нанотехнологического процесса, а также создать устройство для проведения нанотехнологической реакции, в котором за счет использования такого второго основного электрода достигалась бы возможность расширения функциональных возможностей устройства без усложнения его конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в способе проведения нанотехнологической реакции, включающем подачу по меньшей мере одного вещества в зону реакции, расположенную между электрожами, подачу энергии в зону реакции, локальную активацию вещества в указанной зоне с последующим приемом синтезированных продуктов нанотехнологической реакции, согласно изобретению прием синтезированных продуктов нанотехнологической реакции осуществляют на их выходе за пределы зоны реакции. В патентуемом способе зона между электродами имеет нанотехнологические размеры и по сути является зоной реакции, в которую подается энергия. Зона реакции сформирована электродами таким образом, что пространственное распределение энергии и ее величина в областях зоны реакции, прилегающих к каждому из электродов, по существу одинаковы, что обеспечивается выполнением обоих электродов в виде острий.

Предложенный способ за счет приема продуктов нанотехнологической реакции за пределами зоны реакции позволяет сохранить в течение всего процесса стабильные характеристики, т. е. форму и размеры электродов, разрешающую способность, напряженность полей и т.д.

Использование электродов в виде острий позволяет достичь большей локальности проведения реакции и одновременно сформировать канал для подачи вещества в зону проведения реакции, а в некоторых случаях - и нескольких веществ в зону проведения реакции.

Газообразные, твердые и жидкие продукты реакции могут быть приняты в окружающее пространство или на поверхность, которую выполняют из проводящего или полупроводникового или изолирующего материала.

При этом поверхность выполняет функцию исключительно подложки, а не электрода, как это было во всех ранее известных способах. Это позволяет использовать поверхность с любыми свойствами проводимости, а также чередовать проводящие и изолирующие области, что было ранее принципиально невозможно.

Для локальной активации вещества разумно использовать электромагнитное или электростатическое поля; радио-; или СВЧ-; или оптическое излучение, включая ультрафиолетовое; акустические колебания или нагрев вершин острий, а также их комбинацию в заданном сочетании, что позволяет создать наиболее благоприятные условия для протекания нанотехнологической реакции.

Полезно, чтобы подачу радио-, или СВЧ-, или оптического излучения, включая ультрафиолетовое, а также подачу вещества в зону реакции осуществляли по меньшей мере по одному каналу, сформированному боковыми поверхностями электродов. При этом сам канал является по сути радио-, или СВЧ-, или оптическим волноводом, что позволяет направить излучение к вершинам острий без рассеяния и дифракционных эффектов.

Таким образом, повышается напряженность электромагнитного поля в зоне между вершинами острий и эффективность возбуждения используемого вещества, а также разрешающая способность проводимой нанотехнологической реакции.

Предлагаемый способ позволяет использовать несколько веществ, каждое из которых подается по соответствующему каналу и осуществляется его локальная активность в зоне между вершинами смежных острий.

При этом возможно одновременно синтезировать разные соединения, которые затем смешиваются на выходе за пределы вершин острий и могут образовывать новое вещество, которое ранее невозможно было получить известными способами.

Поставленная задача решается также и тем, что в устройстве для проведения нанотехнологической реакции, содержащем два основных электрода, которые установлены с межэлектродным зазором и один из которых выполнен в виде острия, средство возбуждения, связанное с основными электродами, и средство для приема продуктов нанотехнологической реакции, согласно изобретению другой основной электрод также выполнен в виде острия. При этом вершины острий расположены с межэлектродным зазором нанотехнологических размеров, величина которого определяется требуемой разрешающей способностью нанотехнологической реакции, а средство для приема продуктов реакции пространственно отделено от острий.

Использование электродов в виде острий исключает накопление продуктов реакции на электродах, что обеспечивает сохранение стабильных характеристик нанотехнологической реакции и расширяет функциональные возможности устройства.

Разумно, чтобы устройство содержало еще по меньшей мере один электрод, связанный со средством возбуждения и выполненный в виде острия, вершина которого расположена от вершин других острий на расстоянии, определяемом разрешающей способностью нанотехнологической реакции.

Введение дополнительных электродов, аналогичных основным, позволяет повысить производительность процесса с сохранением стабильных характеристик острий. Кроме того, представляется возможность использования разных веществ, при этом нанотехнологическая реакция будет осуществляться между соответствующими парами острий.

Разумно, чтобы острия были расположены под углом друг к другу так, чтобы их вершины были обращены в одну сторону, а боковые поверхности образовывали канал.

В таком случае обеспечивается возможность целенаправленной подачи вещества, а также введения радио-, или СВЧ-, или оптического излучения, включая ультрафиолетовое, к вершинам острий по каналу, который по сути является волноводом для соответствующего вида излучения.

Весьма полезно, чтобы устройство содержало элементы из изоляционного материала, соответствующих числу и форме острий и расположенных между ними так, чтобы вершины элементов были обращены к вершинам острий, а канал был сформирован между боковыми поверхностями острий и элементов.

В таком случае элементы из изоляционного материала являются опорными элементами для острий и одновременно формируют канал, что позволяет локализовать подачу вещества по замкнутому каналу, избегая рассеяния в окружающее пространство.

Для ряда нанотехнологических реакций предпочтительно, чтобы при наличии группы острий они были бы установлены так, что одно из острий расположено в центре, а остальные по окружности, образуя соответствующее число каналов и способствуя локализации осаждаемого материала.

Такой вариант выполнения позволяет проводить нанотехнологическую реакцию с разными веществами, которые подают к соответствующей паре вершин по отдельным каналам.

Конструктивно целесообразно, чтобы для крепления электродов устройство содержало основание, которое может быть выполнено в форме полого усеченного конуса или пирамиды, на наружной поверхности которого расположены острия, вершины которых расположены в зоне меньшего отверстия основания, а внутренняя полость образует канал.

Такая интегральная конструкция отличается повышенной жесткостью и позволяет вести процесс с повышенной производительностью за счет высоких скоростей подачи вещества в зону локальной активации.

Для проведения реакций химического осаждения твердого вещества, электрохимического травления и других полезно, чтобы средство для приема продуктов нанотехнологической реакции было выполнено в виде подложки, установленной напротив вершин острий на расстоянии, определяемом разрешающей способностью нанотехнологической реакции.

В таком случае подложку можно выполнять из проводящего или полупроводникового или изолирующего материала, т.к. она не является электродом, а выбор материала, из которого она изготовлена, определяется потребностью самого процесса. При этом на подложке возможно формировать чередующиеся проводящие и изолирующие участки, что ранее было принципиально невозможно.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет приема продуктов нанотехнологической реакции за пределами электродов, а также выполнения электродов в виде острий, позволяет сохранять стабильные характеристики процесса в течение всего времени его проведения и устранить негативные особенности, обусловленные применением электрода в виде подложки. Разграничение областей синтеза продуктов нанотехнологической реакции и их приема позволяет решать принципиально новые задачи. Для реализации предлагаемого изобретения применяются традиционные технологии и оборудование, используемое в данной области техники.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его выполнения, примером и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает схему, поясняющую способ проведения нанотехнологической реакции согласно изобретению;
фиг. 2 - устройство для проведения нанотехнологической реакции с двумя остриями согласно изобретению;
фиг. 3 - то же, что фиг. 2, с тремя остриями и подложкой согласно изобретению;
фиг. 4 - то же, что фиг. 2, при выполнении основания составным (частичный вырыв), вид сверху, согласно изобретению;
фиг. 5 - то же, что фиг. 2, с пятью остриями, вид сверху, в разрезе, согласно изобретению;
фиг. 6 - то же, что фиг. 2, с основанием в виде полого усеченного конуса и подложкой согласно изобретению.

Способ проведения нанотехнологической реакции заключается в том, что в зону между двумя электродами подают вещество и осуществляют его локальную активацию до состояния, при котором происходит нанотехнологическая реакция за счет подачи энергии в зону реакции. Зона реакции формируется электродами таким образом, что пространственное распределение энергии и ее величина в областях зоны реакции, прилегающих к каждому из электродов, по существу одинаковы, причем зона между электродами имеет нанотехнологические размеры (от размеров одиночного атома и более в нанометровом диапазоне). Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что прием синтезированных продуктов нанотехнологической реакции осуществляют на их выходе за пределы зоны реакции.

В качестве электродов в патентуемом способе используют острия, применяемые и широко известные в нанотехнологии, например зонды СЗМ.

Схема на фиг. 1 приведена для пояснения патентуемого способа, и на ней условно изображены два электрода в виде острий 1, между вершинами 2 которых образована зона 3 локальной активации вещества, то есть зона реакции.

В описываемом варианте локальную активацию вещества производят между вершинами 2 двух острий 1. В других случаях патентуемый способ позволяет осуществлять локальную активацию вещества и между большим числом вершин 2 острий 1, что определяется конкретными условиями процесса. На схеме стрелкой показано направление подачи вещества в зону 3, причем до прохождения указанной зоны 3 вещество условно состояло из двух молекул, а продукты нанотехнологической реакции - из четырех.

Вещество, используемое при проведении реакции, может быть заранее нанесено на поверхность хотя бы одного острия 1 или может подаваться к вершинам 2 острий 1, как было сказано выше.

Перед началом процесса вершины 2 острий 1 сближают до расстояния, определяемого разрешающей способностью нанотехнологической реакции. Увеличение расстояния позволяет, соответственно, увеличивать объем активируемого материала. Уменьшение размеров зоны 3 активации возможно до расстояний, при которых еще происходит активация отдельных молекул и атомов вещества, участвующего в проведении реакции.

Установку острий 1 на необходимые расстояния осуществляют с помощью пьезоманипуляторов, используемых, например, в СТМ.

После проведения подготовительных операций непосредственно осуществляют локальную активацию вещества, которую реализуют за счет подачи энергии в зону реакции различными способами: либо путем создания электромагнитного или электростатического полей между вершинами 2 острий 1, либо путем создания акустических колебаний, которые распространяются по поверхностям острий 1, либо путем нагрева вершин 2 острий 1, либо комплексно путем комбинации в заданном сочетании перечисленных выше видов энергетического воздействия.

На фиг. 1 условно изображены силовые линии электромагнитного поля, сформированного между вершинами 2 острий 1. Напряженности электромагнитных полей меняются в диапазоне от долей милливольта на 1

В заявляемом способе для локальной активации вещества возможно применение или радио-, или СВЧ-, или оптического излучений, включая ультрафиолетовое. В таком случае каждое из названных излучений вводят в зону 3 реакции, т. е. к вершинам 2 острий 1 по каналу, образованному боковыми поверхностями электродов. Иными словами, названные виды излучений поступают по радио-, или СВЧ-, или оптическому волноводам с высокой степенью локальности, значительно превышающей ранее достижимую.

Энергетическое воздействие на вещество приводит к возникновению ряда процессов, стимулирующих проведение нанотехнологической реакции.

Прием продуктов нанотехнологической реакции осуществляют на их выходе за пределы зоны реакции, т.е. за пределами вершин 2 острий 1 независимо от их агрегатного состояния, а не на электроде-подложке, как это традиционно принято. Это является существенным и принципиальным отличием патентуемого способа от известных ранее.

Отвод продуктов реакции за пределы острий 1 позволяет сохранить стабильные характеристики нанотехнологической реакции в течение всего времени ее проведения. При этом остаются практически неизменными форма и геометрические размеры острий 1, размеры зоны 3 локальной активации, напряженности полей и другие характеристики. Одновременно устраняются ограничения, обусловленные наличием электрода-подложки, а именно увеличивается время нахождения вещества в зоне реакции и выход продуктов реакции, создаются высокоэнергетические поля и осуществляется направленная подача вещества в зону реакции по сформированному каналу.

Кроме того, обеспечивается возможность направленно вводить в зону реакции радио-, или СВЧ-, или оптическое излучение, включая ультрафиолетовое.

В патентуемом способе предусмотрена возможность осуществлять прием продуктов реакции на поверхность, которую располагают напротив вершин 2 острий 1. Такой поверхностью может быть подложка, однако в данном случае ее электропроводящие свойства не играют принципиального значения, как это требовалось ранее. На подложке могут быть сформированы проводящие и изолирующие дорожки в соответствии с поставленными условиями, что также отличает патентуемый способ от ранее известных и расширяет возможности его применения.

Прием продуктов реакции на подложку целесообразно осуществлять при проведении определенных нанотехнологических реакций, например записи информации, осаждения материала, стимулированного травления и т.д.

Выбор метод локальной активации определяется типом вещества и конкретными условиями, необходимыми для стимулирования нанотехнологической реакции.

Подача энергии в зону реакции за счет создания электростатического поля между электродами приводит к формированию несимметрично расположенной в пространстве зоны 3 активации, в которой ионизированные частицы вещества направляются к острию 1 противоположной полярности. При активации вещества электромагнитным полем, приложенным между вершинами острий 1, возбуждение в среднем во времени становится более симметрично.

Радио- и СВЧ-излучения вследствие скин-эффекта способствуют увеличению температуры поверхности вершин 2 острий 1 и, соответственно, повышают температуру вещества, участвующего в реакции. Оптическое излучение, включая ультрафиолетовое, кроме соответствующего теплового эффекта, может дополнительно стимулировать спектральноселективные химические реакции, происходящие в результате поглощения квантов электромагнитного излучения и перевода состояния вещества на другой энергетический уровень, а также реакции, происходящие в режиме оптического пробоя, и пондермоторные эффекты.

Активация процесса путем нагрева вершин 2 острий 1 или путем создания акустических колебаний, распространяющихся по поверхности острий 1 в сторону их вершин 2, позволяет увеличить кинетическую энергию вещества, используемого в нанотехнологическом процессе, что приводит к увеличению его активации в результате столкновительных реакций.

Настоящее изобретение позволяет для проведения нанотехнологической реакции использовать несколько веществ. При этом формируют соответствующее число каналов, по которым транспортируют в зону 3 локальной активации отдельные вещества. Каналы могут быть образованы самими остриями 1, в пространство (канал) между которыми вводят соответствующие вещества, или с применением дополнительных средств. Для локальной активации каждого вещества выбирают необходимые для этого параметры и вид воздействия.

Устройство для проведения нанотехнологической реакции содержит два электрода, каждый из которых выполнен в виден острия 1, в частности в виде зонда сканирующего зондового микроскопа СЗМ (фиг. 2). Острия 1 пространственно расположены в зависимости от типа проводимой реакции, а расстояние между их вершинами 2 (межэлектродный зазор) имеет нанотехнологические размеры. Устройство включает также средство для приема продуктов нанотехнологической реакции, которое пространственно отделено от острий 1 (на чертеже не показано) и может непосредственно касаться электродов, либо находиться от них на заданном расстоянии. Названное средство может представлять собой подложку, выполненную из материала с любыми электропроводящими свойствами, или стенку камеры, в которой помещается устройство. Острия установлены под углом один к другому, а их вершины 2 расположены на расстоянии, определяемом разрешающей способностью нанотехнологической реакции.

Острия 1 установлены с помощью пьезоманипуляторов (на чертеже не показаны) на основании 4 из изоляционного материала. Используемые для монтирования острий 1 пьезоманипуляторы широко известны и описаны, например, в прототипе устройства.

С остриями 1 связано средство возбуждения, которое в описываемом варианте представляет собой источник 5 постоянного или переменного напряжения, подключенный к остриям 1.

В качестве средства возбуждения может быть использован генератор радио-, или СВЧ-, или оптического излучений, включая ультрафиолетовое, формирующий излучение, направленное к вершинам 2 острий 1.

Наряду с перечисленными средство возбуждения может быть выполнено в виде генератора акустических колебаний или источника нагрева, подключенных к остриям 1. В некоторых случаях источники могут быть использованы в заданной комбинации для усиления энергетического воздействия.

Выбор типа средства возбуждения определяется конкретными условиями проведения нанотехнологической реакции.

В случае, если проводится реакция с ядовитыми или дорогостоящими веществами, устройство может быть помещено в корпус (на чертеже не показан).

В описываемом варианте выполнения используются монолитные острия 1 конусообразной формы, изготовление которых осуществляется по известным в данной области технологиям.

Острия 1 установлены под острым углом друг к другу так, что точка 6 пересечения их осей 7 находится на равном расстоянии от вершин 2 острий 1. Между коническими поверхностями острий 1 образован канал 8, по которому в процессе проведения нанотехнологической реакции транспортируется вещество, если не предусмотрен иной способ его доставки в зону реакции.

В другом варианте выполнения изобретения, представленном на фиг. 3, устройство содержит три острия 1, попарно подключенные к источникам, 5₁, 5₂ постоянного или переменного напряжения.

Острия 1 имеют по существу конусообразную форму и установлены так, что точка 6 пересечения их осей 7 расположена на разном расстоянии от их вершин 2. Такой вариант выполнения предпочтителен в случае использования в нанотехнологической реакции двух веществ. При этом коническими поверхностями зондов 1 сформировано два канала 8₁, 8₂, по которым могут транспортироваться вещества, участвующие в нанотехнологической реакции для синтеза нового вещества.

В описываемом варианте устройство включает средство для приема продуктов нанотехнологической реакции, которое в данном случае представляет собой подложку 9, выполненную из диэлектрического материала и расположенную напротив вершин 2 острий 1 на расстоянии, определяемом разрешающей способностью нанотехнологической реакции. Подожка 9 может быть выполнена из материала с любыми проводящими свойствами (диэлектрик, полупроводник, проводник), т.к. не является в патентуемом изобретении электродом, как это принято во всех известных технических решениях, а по существу является поверхностью для приема синтезированных продуктов реакции.

На чертеже условно изображены молекулы (атомы) синтезированного вещества, а также генерируемые фотоны и плазмоны hν₁, hν₂ различной энергии.

На фиг. 4 представлен еще один вариант выполнения устройства, в котором имеются два элемента 10 из изоляционного материала конусообразной формы, установленные между остриями 1. При этом вершины элементов 10 обращены в сторону вершин 2 острий 1, а основания острий 1 и элементов 10 примыкают друг к другу. При этом между коническими поверхностями острий 1 и элементов 10 образован канал 8, который может быть использован для транспортирования вещества к вершинам 2 острий 1. Такое конструктивное выполнение позволяет еще более локализовать вещество и избежать его рассеяния в окружающее пространство.

В общем случае число и форма элементов 10 соответствует числу и форме острий 1.

В описываемом варианте средство возбуждения выполнено комплексным и состоит из источника 5 постоянного или переменного напряжения и источников 11 нагрева, каждый из которых связан с соответствующим острием 1 и содержит управляющий генератор 12 и нагревательный резистивный элемент 13.

Возможно использование одного источника 11 нагрева и в таком случае его целесообразно подключать к обоим остриям 1 (на чертеже не показано).

В случае использования в устройстве группы острий 1 (в данном случае пяти) они установлены так, что одно из острий 1 расположено в центре, а остальные по окружности, как это представлено на фиг. 5.

Острия 1 смонтированы на изолирующем основании 4 так, что между их коническими поверхностями сформировано четыре канала 8₁ - 8₄, по которым может транспортироваться вещество. При этом если используется несколько веществ, то они могут направляться по отдельным каналам 8₁ - 8₄ к вершинам 2 острий 1.

Устройство содержит в описываемом варианте четыре источника 5₁ - 5₄ напряжения, имеющие общую точку подключения к центральному острию 1. Другими концами источники 5₁ - 5₄ подключены к соответствующим периферийным остриям 1. Источники 5₁ - 5₄ могут создавать электрические поля как одинаковой, так и различной напряженности.

Устройство содержит также два генератора акустических колебаний, создающих колебания, распространяющиеся по поверхности соответствующих острий 1. Каждый генератор 14содержит пьезопреобразователь 15 и генератор 16 электрических сигналов. В других вариантах выполнения можно использовать большее или меньшее количество генераторов 14 акустических колебаний, что определяется конкретными условиями проведения нанотехнологической реакции. Таким образом, средство возбуждения состоит из источников 5₁ - 5₄ электрического поля и генераторов 14 акустических колебаний, что позволяет обеспечить селективное возбуждение тех или иных веществ, используемых в процессе. Условно на чертеже изображены фотоны и плазмоны hν₁, hν₂, hν₃, hν₄ различной энергии.

Наиболее эффективна конструкция устройства, представленная на фиг. 6. В описываемом устройстве основание 4 из электроизоляционного материала выполнено в форме полого усеченного конуса, на наружней поверхности которого смонтированы острия 1. Технологически это могут быть напыленные или осажденные дорожки либо проволочки из проводящего материала, имеющие выступающие за пределы меньшего основания концы, сходящиеся к общей точке на продольной оси основания 4.

Таким образом, зона 3 локальной активации - зона реакции формируется между вершинами острий 1 в области меньшего отверстия основания 4.

Внутренняя полость основания 4 является по существу каналом 8, по которому вещество может транспортироваться к вершинам 2 острий 1. Острия 1 попарно подключены к источнику 5 постоянного или переменного напряжения.

В описываемом варианте для повышения степени активации средство возбуждения состоит из источника 5 постоянного или переменного электрического напряжения и источника 17 оптического излучения, включающего полупроводниковый лазер 18 и генератор 19 электрических импульсов. Излучение источника 17 подается по каналу 8 к вершинам 2 острий 1. В описываемом варианте выполнения для концентрации излучения лазера 18 предусмотрено средство фокусировки в виде линзы 20.

Описанный вариант выполнения устройства отличается повышенной жесткостью конструкции, что позволяет вести процессы с высокой производительностью за счет повышенных скоростей транспортирования вещества и применения комплексной активации нанотехнологического процесса.

Устройство содержит средство для приема продуктов реакции в виде подложки 9, на которую попадают продукты реакции, условно изображенные на ней. Следует отметить, что расположение подложки 9 над остриями 1 не является препятствием для нормальной работы устройства.

Если предусмотрено иное, а именно отвод продуктов реакции в окружающую среду или специальный резервуар, обеспечивающие прием продуктов реакции, то наличие подложки 9 не обязательно.

Устройство для проведения нанотехнологической реакции работает следующим образом.

При включении источника 5 (фиг. 2) напряжения между вершинами 2 острий 1 формируется электрическое поле, под действием которого стимулируется нанотехнологическая реакция.

Подача вещества к вершинам 2 острий 1 осуществляется по каналу 8, за исключением тех случаев, когда вещество заранее нанесено на поверхность острий 1. В результате подачи энергии и, как следствие, локальной активации вещества синтезируется новое вещество, прием которого осуществляется за пределами острий 1 в окружающем пространстве (средство для приема удалено от острий и на чертеже не показано).

Вследствие того, что нанотехнологическая реакция происходит между вершинами 2 острий 1, а прием продуктов реакции осуществляется за их пределами, обеспечиваются стабильные характеристики нанотехнологической реакции без изменения формы острий 1 и изменения расстояния между их вершинами 2, что особенно важно в случае синтеза твердых веществ.

Устройство, представленное на фиг. 3, в основном работает аналогично описанному выше. Отличие состоит в том, что возможно использование двух веществ, компоненты которого направляются к вершинам 2 острий 1 по двум каналам 8₁, 8₂.

При приложении различного напряжения к каждой паре острий 1, состоящей из центрального и периферийного острий 1, электроны, туннелирующие между ними, порождают плазмоны и фотоны различной энергии hν₁, hν₂, т.е. различного "цвета", различным способом стимулирующие проведение реакции.

Расположение вершин 2 острий 1 на различном уровне позволяет в ряде случаев разделить зону 3 локальной активации - она будет располагаться в области минимального расстояния между поверхностями острий 1, и зону локализации продуктов реакции - ею будет являться вершина 2 наиболее удаленного острия 1, по поверхности которого из зоны 3 локальной активации будут мигрировать продукты реакции.

Продукты реакции на выходе из зоны локализации объединяются таким образом, что получается смесь различных синтезированных веществ, которые в данном варианте осаждаются на подложку 9. Изменяя состав исходного вещества и напряженности электрических полей, создаваемых источниками 5₁, 5₂, можно синтезировать разные вещества.

Вариант устройства, представленного на фиг. 4, работает в основном так же, как и вариант по фиг. 2.

Однако локальная активация веществ осуществляется комплексно с использованием электромагнитного поля и нагрева вершин 2 острий 1. Под действием управляющего генератора 12 происходит нагрев резистивного элемента 13 и связанного с ним острия 1. Такое комплексное энергетическое воздействие на вещество повышает его активацию за счет увеличения его кинетической энергии.

Другое отличие состоит в том, что канал 8 более локализован в продольном направлении, что создает благоприятные условия для подачи вещества к вершинам 2 острий 1 за счет применения элементов 10 из изоляционного материала.

Устройство, представленное на фиг. 5, работает в основном аналогично устройству по фиг. 3. Отличие состоит в использовании пяти острий 1 и, соответственно, в возможности проведения реакции с веществом, содержащем четыре компоненты, которые могут подаваться по соответствующим каналам 8₁ - 8₄.

Другим отличием является то, что одновременно с электромагнитным полем на вещество или вещества, поступающие по каналам 8₃ - 8₄, действуют акустические колебания, создаваемые генераторами 14 акустических колебаний и распространяющиеся по поверхности соответствующих острий 1, что усиливает активацию вещества.

В результате комплексного энергетического воздействия образуются фотоны hν₁ - hν₂ различной энергии, что способствует селективному переносу вещества с более "горячей" области в более "холодную".

Более эффективно процесс активации вещества, а следовательно, и сама нанотехнологическая реакция осуществляются в устройстве с интегральной конструкцией, представленной на фиг. 6.

В этом случае действие электрических полей сочетается с действием оптического излучения.

При этом при подаче электрических импульсов от источника 19 на полупроводниковый лазер 18 последний создает оптическое излучение, которое фокусируется линзой 20 и направляется по каналу 8 к вершинам 2 острий 1. Канал 8 по существу представляет собой оптический волновод, что позволяет без дифракционных эффектов и отражений направлять оптическое излучение к зоне 3 локальной активации.

Монолитная конструкция основания 4 и комплексная активация вещества обеспечивают высокоскоростное и высокопроизводительное проведение процесса, что выгодно отличает такую конструкцию от других.

В описываемом варианте устройства продукты реакции принимаются на подложку 9, как это было описано ранее.

Для лучшего понимания сущности изобретения проводится конкретный вариант осуществления патентуемого способа.

Способ осуществляли с помощью устройства, состоящего из двух вольфрамовых острий, изготовленных методом электролитического травления, с радиусом вершин порядка 100 нм, сближенных с помощью сканирующего туннельного микроскопа на расстояние до 100 нм. В зазор между вершинами острий напускали газ - ацетилен. При приложении управляющих напряжений от сотен вольт до 1 кВ на частоте 150 кГц между вершинами в проходящем газовом потоке активировали пролетающие молекулы с последующим приемом и осаждением углеродных проводящих структур нанометровых размеров порядка 100 - 200 нм пределами острий.

Патентуемое изобретение позволяет обеспечить стабильные характеристики нанотехнологической реакции, проводить реакции с различными веществами и подложками в различных режимах и, таким образом, расширить его функциональные возможности и области применения.

Реферат

Изобретение относится к нанотехнологии. Способ включает подачу вещества в зону реакции, расположенную между электродами, подачу энергии в зону реакции, локальную активацию вещества и прием продуктов реакции, который осуществляют на их выходе за пределы зоны реакции. При этом пространственное распределение энергии и ее величина в областях зоны реакции, прилегающих к каждому из электродов, по существу одинаковы. Устройство содержит два электрода, каждый из которых выполнен в виде острия, средство возбуждения и средство для приема продуктов реакции, которое пространственно отделено от острий. Острия установлены с межэлектродным зазором, имеющим нанотехнологические размеры. Технический результат - обеспечение стабильных характеристик нанотехнологического процесса и расширение функциональных возможностей устройства. 2 с. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула