Pista de iones

Pistas de iones grabadas en tereftalato de polietileno

Las trazas de iones son rastros de daño creados por iones pesados ​​rápidos que penetran a través de sólidos, que pueden ser suficientemente contiguos para el grabado químico en una variedad de sólidos cristalinos, vítreos y/o poliméricos. ^{[1] [2]} Están asociados con regiones de daño cilíndricas de varios nanómetros de diámetro ^{[3] [4]} y pueden estudiarse mediante espectrometría de retrodispersión de Rutherford (RBS), microscopía electrónica de transmisión (TEM), dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS), dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ) o permeación de gas . ^[5]

Tecnología de seguimiento de iones

La tecnología de pistas de iones se ocupa de la producción y aplicación de pistas de iones en microtecnología y nanotecnología . ^[6] Las pistas de iones se pueden grabar selectivamente en muchos sólidos aislantes, dando lugar a conos o cilindros, de hasta 8 nanómetros de diámetro. ^[7] Los cilindros de pistas grabadas se pueden utilizar como filtros , ^{[8] [9] microcanales} de contador Coulter , ^[10] modificarse con monocapas , ^[11] o rellenarse mediante galvanoplastia . ^{[12] [13]}

La tecnología de seguimiento de iones se ha desarrollado para llenar ciertas áreas específicas en las que la nanolitografía convencional falla, entre ellas:

• Conformación directa de minerales , vidrios y polímeros resistentes a la radiación ^[2]
• Generación de estructuras alargadas con un límite de resolución de hasta 8 nanómetros ^[7]
• Generación directa de agujeros en películas delgadas sin ningún proceso de revelado ^[14]
• Definición de la profundidad estructural por rango de iones en lugar de por espesor del objetivo ^{[15] [16]}
• Generación de estructuras con relación de aspecto (profundidad dividida por ancho) de hasta 10 ⁴ . ^[2]
• Conformación de materiales rígidos y flexibles en un ángulo de corte definido ^[17]
• Explorando el reino de las texturas alineadas con ángulos de inclinación definidos ^[18]
• Generación de patrones aleatorios que consisten en pistas individuales parcialmente superpuestas ^[19]
• Generación de grandes cantidades de estructuras individuales de vía única ^[20]
• Generación de patrones específicos que consisten en pistas individuales ^[21]

Materiales susceptibles de grabación de trazas de iones

La clase de materiales de grabación de pistas de iones se caracteriza por las siguientes propiedades: ^[2]

• Alta homogeneidad : las variaciones de densidad local del material prístino deben ser pequeñas en comparación con el déficit de densidad del núcleo de la pista iónica. Los materiales ópticamente translúcidos , como el policarbonato y el fluoruro de polivinilideno , tienen esta propiedad. Los polímeros granulados, como el politetrafluoroetileno, no tienen esta propiedad.
• Alta resistencia eléctrica : los minerales dieléctricos , vidrios y polímeros no conductores tienen esta propiedad, mientras que los metales y aleaciones altamente conductores no la tienen. En los metales, la difusividad térmica está acoplada con la conductividad eléctrica , lo que suprime la formación de un pico térmico.
• Alta sensibilidad a la radiación : los polímeros tienen una alta sensibilidad a la radiación en comparación con los vidrios y los cristales iónicos. El efecto de la radiación en los polímeros es causado por la cascada de electrones secundarios, que induce tanto la escisión de la cadena (que predomina en el núcleo de la pista) como la reticulación (que predomina en el halo de la pista).
• Baja movilidad atómica : para el grabado selectivo de pistas iónicas, el contraste de densidad entre la pista iónica latente y el material prístino debe ser alto. El contraste se desvanece debido a la difusión , dependiendo de la movilidad atómica . Las pistas iónicas pueden recocerse. El borrado es más rápido en vidrios en comparación con cristales iónicos .

Aparatos y métodos de irradiación

Actualmente se utilizan varios tipos de generadores rápidos de iones pesados ​​y esquemas de irradiación:

Formación de pistas de iones

Cuando un ion pesado rápido penetra a través de un sólido, deja atrás un rastro de material irregular y modificado confinado en un cilindro de unos pocos nanómetros de diámetro. La transferencia de energía entre el ion pesado del proyectil y los electrones ligeros del objetivo ocurre en colisiones binarias . Los electrones primarios expulsados ​​dejan atrás una región cargada, lo que induce una cascada de colisión de electrones secundarios que involucra un número creciente de electrones de energía decreciente. Esta cascada de colisión de electrones se detiene cuando la ionización ya no es posible. La energía restante conduce a la excitación y vibración atómica, produciendo ( calor ). Debido a la gran relación de masa protón-electrón , la energía del proyectil disminuye gradualmente y la trayectoria del proyectil es recta. ^[29] Una pequeña fracción de la energía transferida permanece como una pista de iones en el sólido. El diámetro de la pista de iones aumenta con el aumento de la sensibilidad a la radiación del material. Se utilizan varios modelos para describir la formación de la pista de iones.

• Según el modelo de pico de explosión de iones ^[30], la ionización primaria induce una cascada de colisiones atómicas , ^[31] lo que da como resultado una zona desordenada alrededor de la trayectoria de los iones.

• Según el modelo de cascada de colisión de electrones , los electrones secundarios inducen un efecto de radiación en el material, similar a una irradiación de electrones confinada espacialmente. ^[32] El modelo de cascada de colisión de electrones es particularmente adecuado para polímeros.

• Según el modelo de pico térmico , la cascada de colisiones de electrones es responsable de la transferencia de energía entre el ion proyectil y los núcleos objetivo. Si la temperatura supera la temperatura de fusión de la sustancia objetivo, se forma un líquido. El enfriamiento rápido deja atrás un estado amorfo con una densidad reducida. Su desorden corresponde a la trayectoria iónica. ^{[3] [33]}

El modelo de pico térmico sugiere que la sensibilidad a la radiación de diferentes materiales depende de su conductividad térmica y su temperatura de fusión.

• 
  Modelo de pico térmico
  La trayectoria iónica corresponde al desorden congelado después del enfriamiento rápido de la zona de fusión alrededor de la trayectoria iónica. La temperatura se representa en color. Trayectoria iónica vertical al plano de la imagen.
• 
  Pista de iones latentes en mica moscovita . Dependiendo del poder de frenado del ion proyectil, el ancho de la pista es de entre 4 y 10 nanómetros.
• 
  Simulación de dinámica molecular de cascada de colisiones en oro.
• 
  Umbral de grabado de la pista : entrada de energía necesaria para el grabado selectivo. En el caso de los cristales iónicos, el umbral aumenta con la conductividad térmica. Se incluye el metal amorfo FeBSiC a modo de comparación.

Métodos de grabado

Grabado selectivo de iones

El grabado selectivo de pistas de iones ^[2] está estrechamente relacionado con el grabado selectivo de los límites de grano y las dislocaciones de cristales . El proceso de grabado debe ser lo suficientemente lento para discriminar entre el material irradiado y el prístino. La forma resultante depende del tipo de material, la concentración del agente de grabado y la temperatura del baño de grabado. En cristales y vidrios, el grabado selectivo se debe a la densidad reducida de la pista de iones. En polímeros, el grabado selectivo se debe a la fragmentación del polímero en el núcleo de la pista de iones. La zona del núcleo está rodeada por un halo de pista en el que la reticulación puede impedir el grabado de la pista. Después de la eliminación del halo de pista reticulado, el radio de la pista crece linealmente en el tiempo. El resultado del grabado selectivo es un canal, un poro o un canal.

Grabado mejorado con surfactante

El grabado mejorado con surfactante se utiliza para modificar las formas de las pistas de iones. ^[34] Se basa en monocapas autoorganizadas . ^[11] Las monocapas son semipermeables para los iones solvatados del medio de grabado y reducen el ataque a la superficie. Dependiendo de la concentración relativa del surfactante y el medio de grabado, se obtienen poros de pistas de iones con forma de barril o cilíndrica. La técnica se puede utilizar para aumentar la relación de aspecto . ^[35]

Otra terminología relacionada

Irradiación y procesamiento repetidos : un proceso de irradiación y grabado de dos pasos utilizado para crear pozos perforados.

Los ángulos de irradiación arbitrarios imponen una anisotropía a lo largo de un eje de simetría específico.

Los canales multiangulares son redes interpenetrantes que constan de dos o más conjuntos de canales en diferentes direcciones.

• 
  Grabado de doble cara de la pista de iones con una relación de grabado de pista de 5:1.
• 
  Canales de seguimiento de iones asimétricos con diámetro superior fuertemente reducido.
• 
  Micropocillos con fondo perforado.
• 
  Dos membranas con diferente inclinación del canal (vertical y 45 grados).
• 
  Tres membranas perforadas en dos ángulos de puntal (±10, ±20, ±45 grados).

¹⁾ Los sensibilizadores aumentan la relación de grabado de la pista rompiendo enlaces o aumentando el volumen libre.
²⁾ Los desensibilizadores disminuyen la relación de grabado de la pista. Alternativamente, las pistas de iones pueden recocerse térmicamente.
³⁾ Rango típico de temperatura del baño de grabado. Las tasas de grabado aumentan fuertemente con la concentración y la temperatura.
⁴⁾ El grabado axial depende de la velocidad de grabado de la pista v _t , el grabado radial depende de la velocidad de grabado general v _g .
⁵⁾ Selectividad (relación de aspecto, relación de grabado de la pista) = velocidad de grabado de la pista / velocidad de grabado general = v _t / v _g .
⁶⁾ Este método requiere eliminar los depósitos de óxido metálico restantes mediante soluciones acuosas de HCl.

Replicación

Las pistas de iones grabadas se pueden replicar mediante polímeros [ 37 ^] o metales ^{[12] [38]} La réplica y la plantilla se pueden utilizar como compuestos . Una réplica se puede separar de su plantilla mecánica o químicamente. Las réplicas de polímero se obtienen llenando la pista grabada con un precursor líquido del polímero y curándolo . El curado se puede activar mediante un catalizador , mediante radiación ultravioleta o mediante calor . Las réplicas de metal se pueden obtener mediante deposición sin corriente eléctrica o mediante electrodeposición . Para la replicación de poros pasantes, se deposita una película de cátodo en un lado de la membrana y la membrana se sumerge en una solución de sal metálica. La película de cátodo está cargada negativamente con respecto al ánodo, que se coloca en el lado opuesto de la membrana. Los iones metálicos positivos son atraídos hacia el cátodo, donde atrapan electrones y precipitan como una película metálica compacta. Durante la electrodeposición, los canales se llenan gradualmente de metal y las longitudes de los nanocables se controlan mediante el tiempo de deposición. La deposición rápida produce hilos policristalinos, mientras que la deposición lenta produce hilos monocristalinos. Se obtiene una réplica independiente retirando la plantilla después de la deposición de una película de soporte en el lado del ánodo de la membrana.

Las redes de cables interpenetrantes se fabrican mediante electrodeposición en membranas de múltiples ángulos con pistas grabadas. Se obtienen redes tridimensionales independientes con complejidad ajustable y conectividad entre cables. ^[39]

Los nanocables segmentados se fabrican alternando la polaridad durante la electrodeposición. ^[40] La longitud del segmento se ajusta según la duración del pulso. De esta manera, se pueden ajustar las propiedades eléctricas, térmicas y ópticas.

• 
  Réplica metálica independiente de pistas de iones grabadas en PC
• 
  Red de cables interpenetrantes
• 
  Haz de nanocables de platino segmentados

Aplicaciones

Microtecnología : Las herramientas mecánicas comunes del macromundo se están complementando y reemplazando, y en algunas aplicaciones, por haces de partículas . Aquí, los haces de fotones y electrones modifican la solubilidad de polímeros sensibles a la radiación , los llamados " resinas ", mientras que el enmascaramiento protege un área seleccionada de la exposición a la radiación , el ataque químico y la erosión por impacto atómico . Los productos típicos producidos de esta manera son circuitos integrados y microsistemas . En la actualidad, el campo de la microtecnología se está expandiendo hacia la nanotecnología . Una rama reciente de la microfabricación se basa en la manipulación de iones individuales .

Geología: Las trazas de iones son útiles porque pueden permanecer inalteradas durante millones de años en los minerales. Su densidad proporciona información sobre el momento en que el mineral se solidificó a partir de su fusión y se utilizan como relojes geológicos en la datación por trazas de fisión.

Filtros : Los filtros homoporosos estuvieron entre las primeras aplicaciones ^[8] de la tecnología de pistas de iones y ahora son fabricados por varias empresas. ^[41] Beck y Schultz utilizaron membranas de mica con poros de pistas de iones para determinar el mecanismo de difusión impedida en nanoporos. ^{[42] [43]}

Clasificación de micro y nanopartículas : la resistencia de un canal lleno de un electrolito depende del volumen de la partícula que pasa a través de él. ^[10] Esta técnica se aplica al recuento y dimensionamiento de glóbulos rojos individuales, bacterias y partículas de virus.

Sensor de pH : Los canales cargados llenos de un electrolito tienen una conductividad superficial , además de la conductividad volumétrica regular , del electrolito. Los iones unidos a una superficie cargada atraen una nube de contraiones móviles . Los iones fijos y móviles forman una doble capa . Para canales pequeños, la conductividad superficial es responsable de la mayor parte del transporte de carga. Para canales pequeños, la conductividad superficial excede la conductividad volumétrica . Las cargas superficiales negativas pueden estar ocupadas por protones firmemente unidos. A pH bajo (alta concentración de protones), la carga de la pared se neutraliza completamente. La conductividad superficial desaparece. Debido a la dependencia de la conductividad superficial del pH, el canal se convierte en un sensor de pH. ^[44]

Poros rectificadores de corriente : Los poros asimétricos se obtienen mediante grabado unilateral. La asimetría geométrica se traduce en una asimetría de conducción. El fenómeno es similar a una válvula eléctrica. El poro tiene dos estados de conducción característicos, abierto y cerrado. Por encima de un cierto voltaje, la válvula se abre. Por debajo de un cierto voltaje, la válvula se cierra. ^{[45] [46]}

Canal termorresponsivo : se obtiene recubriendo un canal con un gel termorresponsivo . ^[47]

Biosensor : La modificación química de la pared del canal cambia su interacción con las partículas que pasan. Diferentes revestimientos de la pared se unen a moléculas específicas y retrasan su paso. En este sentido, la pared reconoce la partícula que pasa. Por ejemplo, los fragmentos de ADN se unen selectivamente a sus fragmentos complementarios. Las moléculas unidas reducen el volumen del canal. El cambio de resistencia inducido refleja la concentración de la molécula. ^[48]

Conducción anisotrópica : una plataforma cubierta con muchos cables independientes actúa como un emisor de campo de área grande. ^[49]

Multicapas magnéticas : Los nanocables que consisten en capas magnéticas/no magnéticas alternas actúan como sensores magnéticos. Como ejemplo, los nanocables de cobalto/cobre se obtienen a partir de un electrolito que contiene ambos metales. A bajo voltaje, se deposita cobre puro mientras que el cobalto resiste la electrodeposición. A alto voltaje, ambos metales se depositan como una aleación. Si el electrolito contiene predominantemente cobalto, se deposita una aleación magnética de cobalto y cobre con una alta fracción de cobalto. La conductividad eléctrica del cable multicapa depende del campo magnético externo aplicado. El orden magnético de las capas de cobalto aumenta con el campo aplicado. Sin campo magnético, las capas magnéticas vecinas prefieren el orden antiparalelo. Con campo magnético, las capas magnéticas prefieren la orientación paralela al campo magnético. La orientación paralela corresponde a una resistencia eléctrica reducida. El efecto se utiliza en cabezales de lectura de medios de almacenamiento magnéticos (el "efecto GMR"). ^[50]

Espintrónica : La estructura de la válvula de espín consta de dos capas magnéticas de diferentes espesores. La capa gruesa tiene una mayor estabilidad magnética y se utiliza como polarizador. La capa fina actúa como analizador. Dependiendo de su dirección de magnetización con respecto al polarizador (paralelo o antiparalelo), su conductividad es baja o alta, respectivamente. ^[51]

Texturas : Las texturas inclinadas con un revestimiento hidrófobo son al mismo tiempo superhidrófobas y anisotrópicas ^[18] y muestran una dirección de transporte preferida. Se ha demostrado que el efecto convierte la vibración en traslación ^{[52] .}

• 
  Canal de tránsito de partículas . La caída de corriente transitoria es proporcional al volumen de la partícula.
• 
  Sensor de pH : El círculo en movimiento representa la sección transversal de un canal cargado negativamente. Izquierda: A un pH bajo, todas las cargas superficiales están ocupadas por protones (baja conductividad). Derecha: A un pH alto, todas las cargas superficiales están disponibles (alta conductividad).
• 
  El poro asimétrico transmite iones positivos preferentemente de derecha a izquierda.
• 
  Canal termorresponsivo . El canal revestido de hidrogel se abre por encima y se cierra por debajo de la temperatura crítica del hidrogel.
• 
  Sensor bioespecífico . La resistencia eléctrica de un canal revestido con un reactivo inmunológico depende de la concentración de una molécula específica.
• 
  Matriz de emisores de campo
• 
  Magnetosensor multicapa .
  Campo magnético bajo : orientación antiparalela y alta resistencia.
  Campo magnético alto : orientación paralela y baja resistencia.
• 
  Analizador de espín
  La pérdida de energía de los electrones polarizados por espín depende de la orientación magnética del analizador. Izquierda: polarizador (azul: espín hacia arriba). Derecha: analizador (azul: espín hacia arriba; rojo: espín hacia abajo).
• 
  Textura de pista inclinada con propiedades de transporte asimétricas.

Notas

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