Атомная обработка создаёт новые устройства для измерения наночастиц

Сфокусированные пучки ионов, подобно пескоструйной обработке в нанометровом масштабе, удаляют материал с твёрдых поверхностей, формируя сложные трёхмерные узоры. Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали, что стандартную ионно-лучевую технику можно точно настроить для создания структур с глубиной, контролируемой в пределах диаметра одного атома кремния.

Используя эту новую точность, команда NIST применила стандартную технику обработки для изготовления устройств, позволяющих точно измерять размер наночастиц в жидкости. Эти нанофлюидные устройства, имеющие потенциал для массового производства, могут стать новым лабораторным стандартом для определения размера наночастиц.

«Мы проверили и продвинули границы возможного в создании и измерении объектов размером менее одного нанометра», — сказал исследователь NIST Сэмюэл Ставис. Он и его коллеги из NIST и Мэрилендского наноцентра Университета Мэриленда сообщили о своих выводах в недавнем выпуске Lab on a Chip.

Команда исследовала несколько способов использования сфокусированного пучка ионов галлия для обработки поверхностей кремния, нитрида кремния и диоксида кремния — материалов, широко используемых для создания наноразмерных устройств. Для измерения глубины рельефа, созданного ионным пучком, использовался атомно-силовой микроскоп.

Применение для измерения наночастиц

Используя ионный пучок галлия, исследователи создали ступенчатые узоры в диоксиде кремния, а затем заключили их для управления потоком жидкости в наномасштабе. В одних устройствах шаг ступени составлял 1,1 нанометра, в других — 0,6 нанометра (всего несколько атомов в глубину).

Ступени такого «лестничного» узора точно разделяли наночастицы, погружённые в воду, по размеру. Частицы поступали на самую глубокую ступень внизу, но только меньшие из них могли подняться к самой мелкой ступени наверху; более крупные частицы не могли пройти и оставались в ловушке на нижних ступенях. Флуоресцентный краситель внутри частиц позволил команде зафиксировать их местоположение с помощью оптического микроскопа и сопоставить его с известной глубиной ступени.

Сравнение размеров наночастиц, определённых этим методом, с размерами, измеренными с помощью электронной микроскопии, показало совпадение с точностью до одного нанометра. Это хорошее согласие измерений предполагает, что устройства могут служить не только разделителем частиц, но и эталонным материалом для измерения их размеров.

Практическая значимость

Производители, которым требуется контроль качества наночастиц, могут извлечь выгоду из этой техники. Новые устройства в сочетании с недорогим оптическим микроскопом предлагают потенциально более быстрый и экономичный путь по сравнению с другими методами измерения.

Поскольку наночастицы измерялись с помощью оптического микроскопа, команда NIST также смогла исследовать взаимосвязь между размером наночастиц и другим ключевым свойством — их яркостью. Уточнение этой взаимосвязи важно для понимания свойств квантовых точек для цветовых дисплеев, золотых наночастиц для биомедицинских сенсоров и других наночастиц для доставки лекарств.

Команда детально описала свой процесс, чтобы другие исследователи могли его использовать. Несколько клиентов нанотехнологического центра пользователей NIST (Center for Nanoscale Science and Technology), где проводилась работа, уже выразили заинтересованность в адаптации этой технологии для измерения как размера, так и яркости наночастиц в потребительских продуктах.