Необходимо инвестирование НИОКР

Необходимо инвестирование НИОКР

Аннотация

, ,

Устройство для получения пучков ускоренных нанокластерных ионов

»,

Санкт-Петербург, 2-й Муринский пр.28

тел/факс: +7 (8, e-mail: *****@***ru

1. Введение

Пучки ускоренных нанокластерных ионов (НКИ) представляют собой тонкий инструмент и основной источник знаний о взаимодействии НКИ с веществом. Открываются широкие возможности их использования для развития других наук и в новых технологиях в различных направлениях. Наиболее известен газо-конденсационный метод получения пучков НКИ, основанный на конденсации паров вещества, получаемых различными способами. Пучки НКИ, сформированные с использованием этого метода, состоят в основном из однозарядных НКИ и ускоряются до десятков кВ [1]. Характерным примером использования этого метода является последняя модель, базирующаяся на радиочастотном магнетронно-плазменном распылении веществ с высокой производительностью и высокой степенью селекции по массам [2]. Недостатком этого метода является высокий расход вещества, который быстро растет с размерами НКИ. Это затрудняет применение метода при получении НКИ из дорогостоящих материалов. Кроме того, размерный диапазон большинства получаемых НКИ не превышает 5-10 нм, что ограничивает возможности применения таких источников. Отметим малое разнообразие веществ, из которых можно получать НКИ с размерами больше 5-10 нм. Энергетический диапазон НКИ, получаемых газо-конденсационным методом, также ограничен их однозарядным состоянием.

2. Метод и новизна

Мы предлагаем получать НКИ абсолютно новым методом, а именно, ядерной десорбцией квази-изолированных наноостровков (НО) металлов или полупроводников, предварительно осажденных на подложку (см. рис.1) при облучении таких мишеней ускоренными ионами в режимах неупругого и упругого торможения [3,4].

Основные параметры этого явления изучались нами в проектах МНТЦ [5,6]. Было найдено, что при неупругом торможении ионов возможно получать большие потоки НКИ в широком диапазоне размеров (до ~90 нм) при бомбардировке тяжелыми многозарядными ионами (МЗИ) от 14N до 208Pb c энергиями от 10 МэВ до 1 ГэВ [6]. Однако, эти МЗИ могут быть получены только на крупных дорогостоящих ускорителях, поэтому их практическое массовое использование проблематично. Следующим шагом на пути к получению НКИ новым ядерно-десорбционным методом было предложение использовать в качестве бомбардирующих ионов ускоренные полиатомные ионы в режиме упругого торможения [5,7]. Cледует отметить, что в этом случае энергия ионов на 2-3 порядка меньше, что удешевляет метод.

3. Принципы работы и схема ускорительной установки.

Из анализа результатов [7] следует, что при бомбардировке наноостровковых мишеней из Au с полным размерным диапазоном островков 2-50 нм кластерными ионами Au5+ c энергией 200 кэВ с потоком 1*1011 c–1 начальные потоки десорбированных НКИ будут (3.5, 2.0, 0.6, 0.06, ~0.01, ~0.001) *1011c–1 для средних размеров островков Æ (4, 6, 10, 15, 18, 20) нм соответственно. Оценки потоков сделаны для мишеней, размерное распределение островков на которых имеет ПШПВ 50%. При время-пролетной размерной селекции НКИ ±5% начальные потоки НКИ уменьшатся примерно в 100 раз.

В предлагаемой установке [8] бомбардирующими ионами будут кластерные ионы висмута - легкоплавкого металла с хорошим выходом дважды заряженных ионов Bi3++ и Bi5++, получаемых из жидкостного источника металлических ионов [9]. Ионы Bi3-5++ ускоряются до 200 кВ, т. е. до энергии 400 кэВ. Это в 2 раза больше, чем энергия 200-кэв-ных ионов Au5+ [7], и должно увеличить выходы Au НКИ в ~1,5 раза, а размерный диапазон до ~30 нм.

Рис.2

Работа установки происходит следующим образом (см. рис.2). Из жидкостного источника с металлического острия электрическим полем вытягиваются положительно заряженные ионы Bi. С помощью магнитного сепаратора из спектра ионов Bi выделяются ионы Bi5++ (для бомбардировки наноостровков с Æ < 10 нм) или Bi3++ (для бомбардировки наноостровков с Æ ³ 10 нм), которые через диафрагму поступают в диагностическую камеру 1, где происходит настройка пучка ионов Bi++. Далее в ускоряющей трубке УТ-1 ионы Bi++ ускоряются до 200 кВ и поступают в десорбционную камеру 2, где с энергией до 400 кэВ бомбардируют размещенную в камере наноостровковую мишень и десорбируют с нее отрицательно заряженные НКИ выбранного вещества. В десорбционной камере предусмотрены: либо сбор НКИ на коллектор для их анализа и проведения некоторых работ, либо фокусировка пучка НКИ Сфокусированный пучок НКИ поступает в ускорительную трубку УТ-2 , где происходит ускорение НКИ до энергии 200 кВ*q (здесь q- заряд НКИ, для НКИ Au q= 1-15 e в зависимости от размера НКИ [5]). Затем пучок ускоренных НКИ попадает в камеру 3, где он используется в различных экспериментах и нанотехнологиях (камера 3 может быть сменной). Эта камера соединена с время-пролетным масс-спектрометром. При ядерной десорбции средний заряд нанокластера со средним размером (массой) может быть измерен сравнением размерных (массовых) и m/q спектров.

Ускорительная установка может работать в трех режимах: 1) режим постоянного потока НКИ с размерным распределением, определяемым десорбируемой мишенью; 2) импульсный режим для измерения спектров m/q НКИ из данной мишени или для размерной селекции НКИ; 3) для измерения масс биомолекул, десорбируемых в камере 3, время-пролетным био-масс-спектрометром.

Поскольку ядерная десорбция нанокластеров из мишени является поверхностным явлением, особое внимание уделяется узлу, содержащему набор идентичных мишеней со сложным движением. Наноостровковые мишени приготовляются на специальной установке путем термоиспарения вещества в вакууме с малыми потерями вещества и, более того, с возможностью его регенерации. Материал подложек нанодисперсных мишеней обеспечивает отрицательный заряд НКИ.

Пучки НКИ с использованием ядерно-десорбционного метода могут быть получены из всех плавящихся материалов, которые образуют наноостровки на подложке. Нами уже были получены НКИ Au, Ag, In, Bi, Pt, Ge, Pd, UO2, PbS c размерами для первых четырех веществ до 20-40 нм, при этом наностровки десорбировались МЗИ - осколками деления Cf-252 [5]. Пучки НКИ Au были использованы нами для нужд ядерной молекулярной биологии и медицины [5]: 1) для наноструктурирования поверхностей слюды и Si для иммобилизации биомолекул в растворах, 2) для десорбции и измерения масс тяжелых биомолекул на био-TOF MS без матриц, что существенно упрощает измерения. Так, НКИ Au с Æ 15-20 нм и энергией до ~ 500 кэВ десорбировали биомолекулы Bovine insulin (5733 а. е.м.) с рекордно большими выходами - 2,5 ÷ 5 молекул/ион, а Lysozime (15000 а. е.м.) - 0,1 мол./ион (в последнем случае НКИ Au ускорялись до 200 кэВ).

4. Заключение

Преимущества ускорительных установок с использованием ядерно-десорбционного метода получения НКИ по сравнению с газо-конденсационными методами [1,2] состоит в следующем: 1) в более широком размерном (2-30) нм и 2) энергетическом (до ~ 3 МэВ) диапазонах НКИ; 3) в большем разнообразии металлов и полупроводников для получении НКИ, 4) в более низком (на порядки) расходе вещества. Эти преимущества связаны с тем, что в 1-м случае испаренное (распыленное) вещество образует в отдельной установке на подложках наноостровки, которые затем целиком десорбируются ионами, а в газо-конденсационной камере НКИ образуются в результате процесса конденсации вещества в полете и в основном однозарядными.

Использование данной установка перспективно: 1) в получении нанокомпозитов с размерами 7-25 нм при бомбардировке НКИ наноостровков и их плавлением на холодной подложке для использования в различных целях, в том числе и в наноэлектронике; 2) в химии «горячих» атомов на холодных подложках; 3) во внедрении НКИ переходных металлов (Fe, Co, Ni и др.) [1] в диэлектрические матрицы для создания магниточувствительных приборов малых размеров; 4) в наноструктурировании пленок размерно-селективными НКИ благородных металлов для оптики [1] и др.

Таким образом, предлагаемая ускорительная установка для получения пучков НКИ с использованием нового ядерно-десорбционного метода найдет широкое применение в фундаментальных исследованиях разных научных направлений и во многих нанотехнологиях. Наиболее оптимальное ее применение для получения самых разнообразных наноструктурированных образцов, нанокомпозитов и для прямого использования самого пучка НКИ в молекулярной биологии – медицине.

Примерная стоимость разработки и создания опытного образца установки для получения ускоренных пучков НКИ составляет ~ 70 млн. руб.

Ссылки.

1. V. Popok, E. Campbell., Rev. Adv. Mater. Sci.

2. S. Pratontep, S. Carrol, C. Xirouchaki, M. Streun, R. Palmer, Rev. Sci. Instr. 76, 045

3. I. Baranov, A. Novikov, V. Obnorsky, S. Tsepelevich, B. Kozlov, I. Pilyugin, Nucl. Instr. and Meth. B

4. I. Baranov, A. Brunelle, S. Della-Negra, D. Jacquet, S. Kirillov, Y. Le Beyec, A. Novikov, V. Obnorsky, A. Pchelintsev, K. Wien, S. Yarmiychuk, Nucl. Instr. and Meth. B

5. Отчеты по проектам МНТЦ №№ and 2

Баранов.

6. , ,

Per Håkansson, Патент РФ на изобретение № 2 бюлл. № 22 от 01.01.2001.

7. Chr. Anders, I. Baranov, S. Della-Negra, V. Domaratsky, M. Fallavier, A. Novikov, V.Obnorsky, H.M.Urbassek, K.Wien, S.Yarmiychuk, G.Ziegenhein, Nucl. Instr. and Meth. B

8 , , Заявка на получение патента РФ № .07(006447) от 01.01.2001.

9. L. W. Swanson, A. E.Bell. Liquid metal ion sources, in The Physics and Technology of Ion Laboratory University of California. John Wiley & Sons Inc. 1989

5. Примеры возможного применения пучков НКИ предлагаемого десорбционного ускорителя

1. Пучки НКИ из разных металлов и полупроводников с разной энергией удара будут использованы для изучения взаимодействия с веществами различной природы (металлы, полупроводники, диэлектрики – органические, неорганические образцы) в массивном виде, в виде тонких пленок, в виде наночастиц (10-100) нм. Особое место занимает изучение взаимодействия НКИ с различными биомишенями. Все эти исследования носят как фундаментальный характер, так имеют и практическое значение.

2. Прежде всего, необходимо провести исследования, которые расширили бы круг металлов и полупроводников, а также других веществ, например, сплавов или соединений, которые могут быть использованы для получения пучков НКИ (кроме уже определенных Au, Pt, Ag, Pd, In, Bi, Ge, PbS, UO2 и некоторых трансуранов).

3. Пучки НКИ из металлов и полупроводников могут быть использованы для приготовления наноструктурированных поверхностей с различными параметрами нанокластеров, которые необходимы для иммобилизации биомолекул в растворах для изучения их свойств, а также для иммобилизации молекул из растворов при гетерогенном катализе (Au НКИ уже использовались нами для этой цели – см. отчет по проекту МНТЦ № 000 за 2007). Вообще, возможность иммобилизовать органические молекулы на нанокластерах, которые в свою очередь сцеплены с поверхностью подложки, открывает путь не только к биологическим, но и к медицинским применениям.

4. Неглубокая – поверхностная имплантация как одного или нескольких атомных монослоев, так и монослоев нанокластеров является важным методом для модификации свойств тонких поверхностных слоев в электронике.

С этой же целью нужно вносить с определенной энергией удара имплантанты – целые отдельные нанокластеры Æ 20-40 нм

Можно заполнять контактные дырки расплавленными НКИ при изготовлении электронных приборов малых размеров.

5. Использование НКИ переходных металлов (Fe, Co, Ni и др.), проникающих неглубоко в диэлектрические матрицы, важно для изучения и создания магнитно-чувствительных приборов малых размеров.

6. В некоторых работах и обзорах отмечается, что формирование наноструктурированных пленок с отложением размерно-селективных НКИ благородных металлов является многообещающим направлением для оптики. Этот пункт особенно важен для нашего предлагаемого ускорителя, т. к. расход вещества здесь минимален и не идет ни в какое сравнение с газоразрядными - конденсационными методами получения КИ и особенно НКИ.

7. Именно в данном ускорителе возможно получение новых веществ – новых сплавов путем бомбардировки специальных пленок или массива наноостровков с размерами (15-50) нм ускоренными НКИ специальных подобранных металлов или полупроводников с размерами 15-25(30) нм с такими энергиями, чтобы после взаимодействия их с наноостровками на подложке последние расплавились и образовали новый сплав (сама подложка при этом будет холодной, в этом состоит еще одно достоинство метода). Нельзя исключить, что при этом «композит» будет десорбироваться на коллектор, материал которого может быть также подобран специально.

8. Пучки ускоренных НКИ могут быть использованы в химии «горячих» атомов. При ударе НКИ о твердую поверхность вещества (т. е. речь идет и о химии в твердых веществах) или о тонкий слой жидкости с энергией на атом большей или гораздо большей, чем энергия связи атомов в НКИ (например, для Au –3.75 эВ/атом), то НКИ разрушится на отдельные атомы за ~ 10-10сек с энергией от ~ 0.1 до 10¸100 эВ/атом в зависимости от кинетической энергии НКИ и его размера. Число атомов в НКИ велико и пропорционально Æ3. Например, НКИ Au с Æ = 5 нм содержит ~ 4*103 атомов, а с Æ = 25 нм - ~ 5*105 атомов. Эти «горячие» атомы будут двигаться по поверхности образца или на глубине ~1нм, занимая площадь более, чем на порядок больше, чем площадь сечения самого НКИ. При этом они будут взаимодействовать с атомами или молекулами вещества в поверхностном слое более эффективно, чем при комнатной температуре или подогреве, т. к., например, при средней энергии 1 эВ температура взаимодействующих атомов составляет ~ 11000 K. При этом сам образец был бы холодным. Этот процесс (средняя энергия «горячих» атомов или молекул, размер НКИ и суммарная площадь покрытия «горячими» атомами поверхности образца) можно тонко регулировать изменением параметров пучков НКИ ускорителя. Например, при использовании НКИ Au с Æ = 5 нм с одной мишени с Æ = 6 см можно покрыть «горячими» атомами поверхность образца 57см2, а для НКИ Au с Æ = 20 нм – 400 см2.

9. Наши эксперименты по бомбардировке биомишеней металлическими НКИ показали, что, например, НКИ Au с Æ = 10-20 нм с энергией 400 – 800 кэВ десорбируют тяжелые биомолекулы Bovine insulin (5700 а. е.м.) с выходом до 5 молекул на 1 Au НКИ. Это рекордно большие выходы. Для еще более тяжелых молекул Lyzozime (~ 15000 а. е.м.) выход был ~ 0.1 мол/Au НКИ. Имеется большой резерв чтобы десорбировать биомолекулы до ~100.000 а. е.м. Эта област является очень важной для биологии и медицины. Результаты были получены нами при малых потоках Au НКИ с Æ = ~15 нм на биомишень (~ 5-10 НКИ/с), получаемых десорбцией МЗИ - осколками деления Cf-252. Применение ускорителя увеличит потоки НКИ на несколько порядков. Основные преимущества метода десорбции биомолекул НКИ перед MALDI (метод десорбции биомолекул лазерным облучением) заключаются в ничтожном повреждении биологической мишени и отсутствии необходимости подбора нужной матрицы при переходе от одной биомишени к другой.

В заключение можно отметить, что ускоренные пучки НКИ разных энергий и из разного вещества и разных размеров являются тонким инструментом воздействия на различные объекты живой и неживой природы с разными размерами, в том числе и с наноразмерами. Эти пучки могут найти применение в разных и неожиданных областях науки и техники.