ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.18
УДК 620.3
Фундаментальные основы механического нано-ассемблирования «снизу-вверх» индивидуальных нанообъектов и наноустройств для исследования квантовых нелокальных явлений, наноэлектроники и нано-биомедицинской диагностики
В. В. Коледов1, В. Г. Шавров1, С. В. Фонгратовски1, П. В. Лега1, А. С. Ильин1, А. П. Орлов1, А. В. Фролов1, А. В. Прокунин1, М. С. Быбик1, M. А. Котта2, А. В. Иржак3, Д. Н. Нат4, A. Гош4, П. Кумар4, К. Колеман5, С. Бхаттачария5, Ж. Зенг6
1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7
2 Университет Кампинас, Физический Институт им. Глеба Ватагина, Бразилия, Sérgio Buarque de Holanda, 777 - Cidade Universitária, Campinas - SP, 13083-859, Brazil
3 Институт технологии микроэлектроники и высокочистых материалов РАН, 142432, г. Черноголовка, Московская область, ул. Академика Осипьяна, 6
4 Центр нано-исследований Научного Институт Индии, Mathikere, Bengaluru, Karnataka 560012, India
5 Лаборатория наноэлектронной физики, Школа физики, Университет Витватерсранда, Йоханнесбург, Южноафрианская республика, Private Bag 3, Wits 2050, South Africa
6 Институт нанотехнологий и нанобионики Сучжоу Китайской академии наук (SINANO), No. 398 Ruoshui Road, SEID, Suzhou Industrial Park, Suzhou, Jiangsu Province, 215123, China
Статья поступила в редакцию 1 ноября 2020 г.
Аннотация. В работе дан обзор исследований, проведенных в рамках проекта РФФИ-БРИКС, совместно группами из Бразилии, России, Индии, Китая и Южно-Африканской Республики по разработке новой технологии наносборки «снизу-вверх» различных устройств для наноэлектроники, наносенсорики, биомедицины и фундаментальных исследований на основе использования новых функциональных материалов с фазовыми переходами и новых физических эффектов. Российская группа провела работы по усовершенствованию системы наноманипулирования на основе нанопинцетов из сплава Ti2NiCu с эффектом памяти формы (ЭПФ). Предложена новая конструкция системы управления, обеспечивающая снижение управляющей мощности резистивного нагревателя и снижение до 5 раз неконтролируемого дрейфа нанопинцета. В процессе совместных технологических, конструкторских и физических исследований в области технологии наноманипулирования и наносборки, группами-участниками получены следующие основные результаты. Индийской группой совместно с Российской изучались процессы плавления на микроуровне размеров и показана возможность манипулирования каплей расплавленного галлия с помощью электромиграции и формирования контактных цепей для наносборки без применения литографии. Китайская группа совместно с Российской изготовила и испытала прототип наногенератора электромагнитных колебаний СВЧ диапазона на основе спиновой инжекции для применений в наносенсорике. Российская и Южноафриканская группы изготовили методом наносборки «снизу-вверх» из углеродных наноматериалов, таких, как УНТ, декорированные магнитными ионами и наноалмазы кольцевые структуры, и в них был проведен поиск квантовых эффектов, таких, как квантовые осцилляции транспортных свойств и сверхпроводимость. Бразильской, Китайской и Российской группами совместно изготовлены методом наносборки «снизу-вверх» прототипы нанобиосенсоров на основе полевых транзисторов, выполненных из подвешенных полупроводниковых нанопроволок. Использовано два оригинальных подхода к наносборке: вариант традиционной схемы с жидкостной транспортировкой нанопроволок и подход на основе трехмерного манипулирования с помощью нанопинцета с ЭПФ.
Ключевые слова: наносборка «снизу-вверх», нанопинцет, углеродные нанотрубки (УНТ), нанопроволоки, наночастицы, квантовые интерферометры, полевые нанотранзисторы, бионаносенсоры.
Abstract. In this work we give an overview of researches, conducted in the framework of the project RFBR-BRICS, together with groups from Brazil, Russia, India, China and South Africa on the development of new technology nanoassembly «bottom-up» various devices for nanoelectronics, nanosensors, biomedicine and basic research based on the use of new functional materials with phase transitions and new physical effects. The Russian group carried out work on improving the nanomanipulation system based on nanotweezers made of Ti2NiCu alloy with shape memory effect. A new design of the control system is proposed, which reduces the control power of the resistive heater and reduces the uncontrolled drift of the nanotweezers by up to 5 times. In the process of joint technological, design and physical research in the field of nanomanipulation and nanoassembly technology, the following main results were obtained by the participating groups. The Indian group, together with the Russian group, studied the melting processes at the micro-level of dimensions, and showed the possibility of manipulating a drop of molten gallium with the help of electromigration and the formation of contact chains for nanoassembly without the use of lithography. Also, the Russian and Indian groups studied the possibility of individual manipulation of microparticles in the liquid. The Chinese group, together with the Russian one, manufactured and tested a prototype of a spin-injection microwave electromagnetic oscillator for nanosensory applications. The Russian and South African groups produced "bottom-up" nanoassembly of carbon nanomaterials, such as CNT, decorated with magnetic ions and nanodiamonds ring structures, and they were searched for quantum effects such as quantum oscillations of transport properties and superconductivity. The Brazilian, Chinese and Russian groups jointly produced prototypes of nano-bio-sensors based on field-effect transistors made of suspended semiconductor nanowires using the bottom-up nanosembly method. Two original approaches to nanoassembly were used: a variant of the traditional scheme with liquid transportation of nanowires and an approach based on three-dimensional manipulation using the nanotweezers with a shape memory effect.
Key words: nanoassembly «bottom-up», nanotweezers, carbon nanotubes (CNT), nanowires, nanoparticles, quantum interferometers, field effect nanotransistors, bionanosensors.
Литература
1. Giljohann D.A., Mirkin C.A. Drivers of biodiagnostic development. Nature. 2009. Vol.462. P.461–464.
2. Turner A.P.F. Biosensors: sense and sensibility. Chem. Soc. Rev. 2013. Vol.42. P.3184–3196.
3. Lequin R.M. Enzyme immunoassay EIA/enzyme-linked immunosorbent assay. ELISA. Clin Chem. 2005. Vol.51. P.2415–2418.
4. Heller M.J. DNA microarray technology: devices, systems, and applications. Annual Rev. Biomed. Eng. 2002. Vol.4. P.129–153.
5. Khoodoo M.H.R., Sahin F., Donmez M.F., Jaufeerally F., Fakim Y. Molecular characterisation of xanthomonas strains isolated from aroids in mauritius. Syst.Appl. Microbiol. 2005. Vol.28. P.366–380.
6. GaoN., Zhou W., Jiang X., Hong G., Fu T., Lieber C.M. General strategy for biodetection in high ionic strength solutions using transistor-based nanoelectronic sensors. Nano Letters. 2015. Vol.15. No.3. P.2143-2148.
7. Janissen R., Sahoo P.K., Santos CA., da Silva A.M., von Zuben A.A., Souto D.E., Cotta M. et al. InP nanowire biosensor with tailored biofunctionalization: ultrasensitive and highly selective disease biomarker detection. Nano Letters. 2017. Vol.17. No.10. P.5938-5949.
8. Duan X., Huang Y., Cui Y., Wang J., Lieber C.M., et al. Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices. Nature. 2001. Vol.409 (6816). P.66.
9. Maedler C., Kim D., Spanjaard R.A., Hong M., Erramilli P.M. Sensing of the melanoma biomarker TROY using silicon nanowire field-effect transistors. ACS Sensors. 2016. Vol.1. P.696–701.
10. Patolsky F., Zheng G., Lieber C.M. Nanowire-based biosensors - analytical chemistry ACS publications. Anal. Chem.. 2006. Vol.78. P.4260–4269.
11. Teo B.K., Sun X.H. From top-down to bottom-up to hybrid nanotechnologies: road to nanodevices. Journal of Cluster Science. 2006. Vol.17. No.4. P.529-540.
12. Chiaramonte T., Tizei L.H., Ugarte D., Cotta M.A. Kinetic effects in InP nanowire growth and stacking fault formation: the role of interface roughening. Nano Letters. 2011. Vol.11. No.5. P.1934-1940.
13. Oliveira D.S., Tizei L.H.G., Ugarte D., Cotta M.A. Spontaneous periodic diameter oscillations in InP nanowires: the role of interface instabilities. Nano Letters. 2012. Vol.13. No.1. P.9-13.
14. de Godoy M.P., Nakaema M.K.K., Iikawa F., Lopes J.M.J., Bortoleto J.R.R., Fichtner P.F.P. Structural and optical properties of InP quantum dots grown on GaAs (001). Journal of Applied Physics. 2007. Vol.101. No.7. P.073508.
15. Irzhak A., Koledov V., Zakharov D., Lebedev G., Mashirov A., Afonina V., Shelyakov A., et al. Development of laminated nanocomposites on the bases of magnetic and non-magnetic shape memory alloys: towards new tools for nanotechnology. Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol.586. P.S464-S468.
16. Irzhak A.V., Zakharov D.I., Kalashnikov V.S., Koledov V.V., Kuchin D.S., Lebedev G.A., Tarasov I.S., et al. Actuators based on composite material with shape-memory effect. Journal of Communications Technology and Electronics. 2010. Vol.55. No.7. P.818-830.
17. Zakharov D., Lebedev G., Koledov V., Lega P., Kuchin D., Irzhak A, Shelyakov A., et al. An enhanced composite scheme of shape memory actuator for smart systems. Physics Procedia. 2010. Vol.10. P.58-64.
18. Kuchin D.S.,, Lega P.V., Orlov A.P., Koledov V.V., Kuchin D.S., Irzhak A.V., et al. The smallest and the fastest shape memory alloy actuator for micro-and nanorobotics. Proceedings of International Conference “Manipulation, Automation and Robotics at Small Scales” (MARSS). IEEE. 2017. July. P.1-4.
19. Koledov V., Shavrov V., von Gratowski S., Petrenko S., Irzhak A., Shelyakov A., et al. Practical system for nanomanipulation. Proceedings of International Conference “Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale” (3M-NANO). IEEE. 2014, October. P.316-320.
20. von Gratowski S., Koledov V., Shavrov V., Petrenko S., Irzhak A., Shelyakov A., et al. Advanced system for nanofabrication and nanomanipulation based on shape memory alloy. Proceedings of International Conference Frontiers in Materials Processing, Applications, Research and Technology. Springer, Singapore. 2018. P.135-154.
21. Sidorov V.A., Ekimov E.A. Superconductivity in diamond. Diamond and Related Materials. 2010. Vol.19. No.5-6. P.351-357.
22. Ekimov E. A., Sidorov V. A., Bauer E. D., Mel'nik N.N., Curro N.J., Thompson J.D., Stishov S.M. Superconductivity in diamond. Nature. 2004. Vol.428 No.6982. P.542.
23. Ward A., Broido D.A., Stewart D.A., Deinzer G. Ab initio theory of the lattice thermal conductivity in diamond. Physical Review B. 2009. Vol.80. No.12. P.125203.
24. Zhang G., Janssens S.D., Vanacken J., Timmermans M., Vacek J., Ataklti G.W., Wagner P. et al. Role of grain size in superconducting boron-doped nanocrystalline diamond thin films grown by CVD. Physical Review B. 2011. Vol.84. No.21. P.214517.
25. Coleman C., Bhattacharyya S. Possible observation of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in boron-doped diamond films. AIP Advances 7. 2017. P.115119.
26. Mtsuko D., Coleman C., Bhattacharyya S. Finite bias dependent evolution of superconductor-insulator transition in nanodiamond films. arXiv preprint arXiv:1606.06672. 2016.
27. Bhattacharyya S., Coleman C., Mtsuko D., Churochkin D. Non-s wave superconductivity in boron-doped nanodiamond films with 0-π Josephson junction array. arXiv preprint arXiv:1710.05170. 2017.
28. Takano Y., Nagao Y., Sakaguchi I., Tachiki M., Hatano T., Kobayashi K., Kawarada H. Superconductivity in diamond thin films well above liquid helium temperature. Applied physics letters. 2004. Vol.85. No.14. P.2851-2853.
29. Vinokur V.M., Baturina T.I., Fistul M.V., Mironov A.Y., Baklanov M.R., Strunk C. Superinsulator and quantum synchronization. Nature. 2008. Vol.452. No.7187. P. 613.
30. Zhang G., Samuely T., Du H., Xu Z., Liu L., Onufriienko O., Yuan H. Bosonic confinement and coherence in disordered nanodiamond arrays. ACS nano. 2017. Vol.11. No.11. P.11746-11754.
31. Kumar S., Kumar P., Pratap R. A model for electromigration induced flow in liquid metals. Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. Vol.50(39). P.39LT02.
32. Shao Y., Lv W., Guo J., Baotao Q., Lv W., Li S., Guo G., Zeng Z The current modulation of anomalous Hall effect in van derWaals Fe3GeTe2/WTe2 heterostructures. Appl. Phys. Lett. 2020. Vol.116. P.092401.
33. Zhang L., Cai J., Fang B., Zhang B., Bian L., Carpentieri M., Finocchio G., Zeng Z. Dual-band microwave detector based on magnetic tunnel junctions. Appl. Phys. Lett. 2020. Vol.117. P.072409.
34. Wu W., Zhang L., Cai J., Fang B., Luo J., Zeng Z. Magnetoresistance and spin-torque effect in flexible nanoscale magnetic tunnel junction. Appl. Phys. Lett. 2019. Vol.115. P.052401.
35. Cai J., Zhang L., Fang B., Lv W., Zhang B., Finocchio G., Xiong R., Liang S., Zeng Z. Sparse neuromorphic computing based on spin-torque diodes. Appl. Phys. Lett.. 2019. Vol.114. P 192402.
36. Bhattacharyya S., Mtsuko D., Allen C., Coleman C. Effects of Rashba-spin–orbit coupling on superconducting boron-doped nanocrystalline diamond films: evidence of interfacial triplet superconductivity. New J. Phys. 2020. Vol.22. P.093039.
37. Ivey D.G. Platinum metals in ohmic contacts to III-V semiconductors. Platinum Metals Rev. 1999. Vol.43. No.1. P.2.
38. Jian P., Ivey D.G., Bruce R. et al. Ohmic contact formation in palladium-based metallizations to n-Type InP. JEM. 1994. Vol.23. P.53–962. https://doi.org/10.1007/BF02655370
39. Ivey D.G, Jian P. Metallurgy of ohmic contacts to InP. Canadian Metallurgical Quarterly. 1995. Vol.34. No.2. P.85-113.
40. Janissen R., Sahoo P.K., Santos C.A., da Silva A.M., vonz Zuben,A.A.G., Souto D.E.P., Costa, A.D.T., Celedon P., Zanchin N.I.T., Almeida D.B., Oliveira D.S., Kubota L.T., Cesar C.L., Souza A.P., Cotta M.A. InP nanowire with tailored biofunctionalization: ultrasensitive and highly selective disease biomarker detection. Nano Lett. 2017. Vol.17. P.5938-5949.
Для цитирования:
Коледов В.В., Шавров В.В., Фонгратовски С.В., Лега П.В., Ильин А.С., Орлов А.П., Фролов А.В., Прокунин А.В., Быбик М.С., Котта M.А., Иржак А.В., Нат Д.Н., Гош А., Кумар П., Колеман К., Бхаттачария С., Зенг Ж. Фундаментальные основы механического нано-ассемблирования «снизу-вверх» индивидуальных нанообъектов и наноустройств для исследования квантовых нелокальных явлений, наноэлектроники и нано-биомедицинской диагностики. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.18