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Nano científico

Enfoque en la Dr. Irma Kujanishvili entrevistado por Stephen Ogg

Observación de nanoescala requerida para estudiar dispositivos de nanoescala. Irma Kuljanishvili describe la investigación de la fabricación de dispositivos semiconductores de nanoescala.

 

Kuljanishvili

La Dr. Irma Kuljanishvili, es una apasionada de la integración de la nanociencia en tecnología. En una entrevista telefónica reciente, la Dr. Kuljanishvili había traducido sus intereses de investigación, su importancia y su aplicación potencial de la lengua de la pura física en términos en que los científicos de otras disciplinas podrían entender más fácilmente. Como una físico de materiales aplicados, está interesada en nuevas formas de crear y modificar materiales que son importantes para la innovación tecnológica. Concretamente utiliza su experiencia en grafenos y nanotubos de carbono para investigar su potencial incorporación en futuros dispositivos que encuentran aplicaciones en campos generalizados, fabricación de semiconductores y de control de calidad así como otras aplicaciones de sensores y pruebas. La Dr. Kuljanishvili utiliza una variedad de técnicas de sondeo estándar de análisis en su laboratorio, pero también está impulsando la tecnología en desarrollo de las técnicas de sondeo por si mismas. A medida que estas técnicas para investigar nanodispositivos son desarrollados y maduras en laboratorios de investigación como de la Dr. Kuljanishvili, pasarán a las instalaciones de producción donde se integrarán en control de calidad de las nuevas generaciones de dispositivos de líneas de montaje de escala nanométrica.

 

¿Puede describir su problema de investigación?

Nuestro grupo se especializa en dispositivos y nanoestructuras de carbono. Aunque somos un grupo de física aplicada, también hacemos nuestros propios materiales. Los dos materiales principales que nos interesan son los nanotubos de carbono y grafeno. También trabajamos con diferentes tipos de películas delgadas, pero ese no es nuestro interés principal. Nosotros sintetizamos nuestros propios materiales y tenemos una manera única de manipulación de las partículas de catalizador en sustratos para hacer crecer nuestros materiales. La mayoría de las técnicas que utilizamos en el laboratorio de un modo u otro usan microscopía de exploración con sonda. Por ejemplo, si queremos crear y hacer crecer nanotubos de carbono, catalíticamente crecidos en el sustrato de silicio, por ejemplo, obligamos al patrón de las partículas de catalizador. Las derivamos de una solución. Generamos una solución por decir, que contiene sales de hierro o níquel. Las disolvemos en solvente y luego para el patrón utilizamos una técnica que se basa en la microscopía de sonda, muy evocador de DPN (nanolitografía dip pen) para tener un patrón del catalizador. Hacemos esto con un AFM, pero también tenemos un sistema independiente, construido en casa que utiliza sin embargo la exploración técnica de microscopía de sonda para crear racimos del catalizador sobre el sustrato para el crecimiento.


¿Por qué no puede utilizar técnicas de litografía basada en luz normal para obtener el patrón del catalizador?

La resolución de la litografía tradicional, convencional, dependiendo de que tipo de litografía utiliza, sea fotolitografía o helio litografía, es un proceso de varios pasos que requiere instalaciones que deben usarse a diario para llevarse a cabo. Sabio en resolución, con la helio litografía podrá llegar a la resolución a la escala de nanómetros, o escala sub-nanométrica. Pero no se trata principalmente de la resolución, principalmente se trata de tener un paso, usando directamente sondas AFM para escribir, sin utilizar ningún tipo de máscara, o cualquier tipo de proceso intermedio. Usted escribe su catalizador donde usted quiere y usted hace crecer sus materiales sólo en ese lugar. Así los llamamos predefinidos, cultivados preferentemente en un lugar específico. Esto es algo que todavía es muy conveniente para las aplicaciones de dispositivos. Usted puede crear conjuntos de dispositivos. Claramente le gustaría tener sus nanotubos de carbono creciendo solamente donde usted lo desea y no tiene catalizador en otros lugares donde no lo necesita. Además elimina el proceso de pasos múltiples en la nanofabricación de convención. El proceso que se utiliza generalmente, si realmente quiere crear islas de catalizadores y crecer a partir de ahí y la que utilizamos es utilizando sondas AFM.


¿Qué volumen de gotas puede deposit sobre el substrato usando técnicas de sonda de barrido?

En general está en femtolitros (10-15 litros). Todo es femto los volúmenes femtolitros, las medidas son femtofaradios, la carga esta en femtocoulombos


¿Usted puede manipular las moléculas de solo catalizador?

No, no en este punto. En este punto cuando depositamos catalizador en solución molecular, está aún en solución. Se seca y la reducimos. Todavía tenemos, al final, una muestra de las partículas de catalizador. Estadísticamente, cuanto más pequeño el grupo, menos partículas individuales estarán en el grupo. Las mantenemos tan uniformes como es posible. Estadísticamente en este momento estamos haciendo crecer los nanotubos de carbono individuales del grupo de catalizador que contiene, tal vez, decenas de moléculas. Luego usamos la técnica de deposición química de vapor, que es un horno térmico de bastante alta temperatura en que cultivamos los nanotubos de carbono. Nosotros hemos estado jugando con los dispositivos que están ya pre-fabricados, como transistores prefabricados. Colaboramos con investigadores del laboratorio nacional de Argonne, nos proveen de dispositivos y nosotros ponemos catalizador en el dispositivo en lugares predeterminados específicos y luego hacemos crecer nuestros nanotubos. Lo malo de esto es que el material y los cables que son de metal todavía se degradan un poco en el horno a 900 º C. Uno tiene que ser inteligente, ya sea mediante una temperatura más baja para que los componentes metálicos no se degraden, o utilizando algún otro metal que todavía conserve su integridad aún después de procesos de alta temperatura. La mayoría de los dispositivos no sobreviven condiciones CVD. Esta es otra área de investigación. Con el tiempo, tal vez, iremos a un régimen o un esquema diferente, o usaremos diferentes recetas para las temperaturas de crecimiento significativamente menores, lo que podría ser ideal.


¿Qué tipos de dispositivos espera construir con los materiales que están creciendo?

Estamos interesados en diferentes tipos de dispositivos. Básicamente estos son transistores de efecto campo. También nos gustaría crear estructuras tridimensionales. Imaginemos que construimos un dispositivo – un transistor de efecto de campo planar de nanotubos de carbono individuales, o pieza individual de grafeno, más adelante podremos, dependiendo del tamaño del dispositivo, con la exploración del sondeo de litografía, o patrones, depositar moléculas, ADN, proteínas u otras partículas, en la parte superior del dispositivo listo y modificarlo de esta manera. Lo importante cuando trabajamos con grafeno o materiales carbonosos es no modificar la estructura a través de vinculación covalente. Lo que nos gustaría hacer es modificar, hasta cierto punto, con la absorción química o fisisorción así que podría ser inversamente procesado, o podría ser un proceso que permanentemente no destruya la estructura cristalina del grafeno. Es lo que hacemos también con la superficie del grafeno y hemos demostrado patrones de las partículas magnéticas en la superficie del grafeno con la AFM basada en técnicas de escritura directa.


¿Por qué es importante su investigación?

Seguimos siendo físicos. Realmente nos gustaría aprender formas en las que podamos crear y modificar materiales que hacemos. Algunos materiales, a medida que crecen, son perfectos y pueden ser utilizados para aplicaciones específicas. Algunos materiales tienen propiedades muy exclusivas, como el grafeno. Una propiedad que el grafeno no tiene es brecha de la banda heredada en su estructura electrónica. Pero usted puede crear una brecha de la banda si modifica el grafeno sin realmente destruir la estructura, sin crear defectos y utilizando esto como un sensor. Nos gustaría utilizar grafeno modificado con arreglos organizados de estructuras con patrones, ya sean cinéticos, magnéticos/233 o bien para preservar su integridad y también se modifica para poder ser utilizado como un semiconductor.


¿Qué técnicas utiliza en su investigación?

Utilizamos técnicas relacionadas con la nanociencia y la nanotecnología. Ahora participamos más y más en la química y nos convertimos en un grupo multidisciplinario, así que veremos. Pero nuestro objetivo sigue siendo trabajar con dispositivos y tratar de entender cómo se comportan los dispositivos modificados, cuan confiables permanecen después del proceso de prueba. Creo que es cómo en última instancia todo lo que estudiamos o conocemos se convierte en una aplicación. Si realmente es algo que realizamos confiablemente después de muchos ciclos de tratamientos, ya sea que se refresque y mida la conductividad, medición de otras características o hacer espectroscopia en el dispositivo, nos gustaría saber qué tan bien sobrevive el dispositivo.


¿Cómo se utiliza el AFM en su investigación?

Bien, tenemos la observación de nanoescala para el estudio de dispositivos de escala nanométrica. Utilizamos el AFM, y por supuesto sin contacto es mejor, para observar los materiales a nanoescala que estamos haciendo. El AFM sin contacto nos permite "ver" nuestros materiales sin perturbarlos. En última instancia, tenemos que averiguar el comportamiento de nuestros dispositivos sin destruirlos, así que necesitamos técnicas no destructivas. Cuando sus materiales son tan pequeños, la posibilidad de que la observación va a cambiar el dispositivo es algo de lo que tenemos que tener cuidado. También a medida que usted reduce su tamaño, el comportamiento del quántum llega a ser más prominente y así utilizamos otras técnicas de análisis de sonda para medir propiedades físicas de los materiales. No podemos evitar contacto cuando se usa microscopía de fuerza electrostática para medir las respuestas eléctricas de nuestros dispositivos. He descrito nuestra técnica DPN que ya utilizamos para patrones de catalizador para hacer crecer nanotubos de carbono, pero podemos realizar recocido localizado o tratamiento térmico en la nanoescala. También utilizamos microscopía de fuerza magnética para medir propiedades magnéticas en grafeno y nanotubos de carbono, que no son magnéticos, pero después de aplicarle al grafeno un campo magnético de alta densidad.


¿Qué pueden esperar los consumidores típicos ver en el futuro que se derivaría de algo que está estudiando ahora?

Esperamos, con los estudios que realizamos, obtengamos algo interesante descubierto. Por ejemplo, si podemos hacer un sensor confiable o un confiable transistor del grafeno que se ha modificado, para un consumidor probablemente significarían más rápidos componentes de dispositivos electrónicos, o dispositivos electrónicos a nanoescala, pequeños dispositivos nano-electro mecánicos. Pruebas y detección de aplicaciones pueden realizarse en la nanoescala. Quizás también podría significar un nuevo tipo de puntas de prueba de diagnóstico que también podemos fabricar a pequeña escala. Imagine que usted necesita probar o investigar una pequeña muestra o espécimen valioso del que usted tiene muy poco. Usted puede probarla de forma tradicional, pero necesita grandes volúmenes de ella. Con técnicas AFM puede depositar porciones pequeñas (femtolitros) de algo sobre un portaobjetos de vidrio y estudiarla de esta manera. Estoy pensando en muestras, especialmente biológicas, basadas en ADN o basadas en proteínas, con las que estoy pensando que podría hacer esto. Esto significa que muchas pruebas pueden realizarse con una menor cantidad de muestra de lo que actualmente se necesita proporcionar. Esto también podría ser aplicable a los dispositivos para todos los demás campos, por ejemplo, semiconductores, pero la biología es un campo natural, simplemente porque las cosas que usted puede hacer en solución son fáciles. Usted puede manipular esto y tener volúmenes muy pequeños, en femtolitros.

Tengo un colega en el Departamento de ingeniería biomédica y ahorita estamos tratando de desarrollar un proyecto para un estudiante mutuo que trabajará con materiales de carbono y células. Utilizando técnicas de sonda de barrido, no seremos capaces de manipular objetos de escala de micrones como células, pero podemos intentar obtener una respuesta de escala nanométrica de una célula que se une a un dispositivo. Podemos estudiar una célula que se asiente en un remiendo de grafeno o un nanotubo de carbono y grabe su respuesta eléctrica o su respuesta de capacitancia. En realidad, si ya está asentada en un dispositivo, podemos también grabar conductividad estimulando simultáneamente las células liberando moléculas de dentro de los nanotubos de carbono en momentos específicos. Mi colega está muy emocionado ante la perspectiva de estudiar las respuestas de las células individuales.

Pero no tiene que aplicar nuestra investigación a la biología. Por ejemplo, la fabricación de semiconductores es actualmente un enfoque ascendente y esperamos lograr algo similar en la nanoescala. Pero realmente, queremos integrar técnicas de Nanociencia en la tecnología. A medida que desarrollamos métodos de fabricación en la nanoescala, estos dispositivos tendrán aplicaciones en todas partes. Cualquier cosa con un sensor, o circuitos integrados pueden ser miniaturizados y por lo tanto requerir menos muestra o potencialmente ser mucho menos costosos de producir.