Бесплатный фрагмент - Микроострия

Аннотация

Изложена и систематизирована информация о микроостриях: их особых свойствах, методах изготовления и областях применения. Показана их высокая эффективность в научных исследованиях, нанотехнологиях, микроэлектронике. Отмечено, что область применения микроострий быстро расширяется, и, соответственно, возрастают требования к качеству их изготовления.

Если у вас плохо идут дела, то стоит подумать: «А не применить ли мне микроострия?».

Для специалистов–экспериментаторов в области нанотехнологий, микроэлектроники, исследований тонкой структуры вещества.

Summary

The information on microneedles is stated and systematized: their unique qualities, methods of manufacturing and scopes. Conclusion on their high efficiency in scientific researches, nanotechnology and microelectronics is derived. It is noted, that the scope of applications of microneedles is quickly expanding, and requirements to the quality of their manufacturing are increasing accordingly.

For experts-experimenters in the field of nanotechnology, microelectronics, thin structure of substance research.

Введение

Одной из главных тенденций современной техники является миниатюризация, которая в последнее десятилетие привела к качественному скачку — возникновению нанотехнологий. Благодаря этому техника в ближайшие годы должна выйти на новую, гораздо более высокую, ступень развития. Особое значение имеет данная тенденция в радиационной технике, так как способствует повышению радиационной стойкости (масштабный эффект здесь заключается в увеличении радиационной стойкости металлических материалов при уменьшении их размеров) и снижению интегральной активности деталей, подвергаемых облучению.

В настоящее время микроострия (обычно под микроостриями подразумевают острия с радиусом при вершине меньше 1мкм) являются эффективными инструментами исследователей и основными элементами многих уникальных технических устройств. Благодаря своим особым свойствам они находят все более широкое применение в различных областях техники, биологии, медицине и научных исследованиях. Они являются наиболее простыми и широко используемыми инструментами для работы в «микро и нано-мире». При этом форма их не обязательно коническая, а может быть самой различной в зависимости от выполняемой ими функции. Следует отметить, что без высококачественных микроострий многие современные сложнейшие и дорогостоящие нанотехнологические и научные приборы работать не могут. Это атомные зонды, различного рода туннельные микроскопы, масс-спектрометры с полевой ионизацией, высокоразрешающие электронные и ионные микроскопы, все приборы с автоэлектронными источниками и т. д.

Чтобы удовлетворить все возрастающим требованиям к качеству микроострий необходимо постоянно совершенствовать методы их изготовления. Многочисленная информация о микроостриях, их свойствах, методах изготовления, внутренней структуре и использовании разбросана в самых различных литературных источниках. Ежегодно в ведущих научно-технических изданиях появляется не менее нескольких десятков статей, посвященных этому вопросу. Сфера их применения постоянно расширяется. В то же время решения, найденные в одной из областей их применения, часто могут быть с успехом использованы и в других. Поэтому представляется важным произвести анализ и обобщение вопросов, связанных с изготовлением и применением микроострий, как в научно-исследовательской, так и прикладной областях.

Свойства микроострий

Концентрирование электрических полей

Микроострия из электропроводных материалов обладают способностью концентрировать электрические поля. Подавая на них высокий электрический потенциал, удается получить напряженность электрического поля Е до 1011 В/м (хотя и только в микрообъемах вблизи от вершины микроострия). При удалении от вершины Е быстро спадает, приблизительно следуя закономерности: (острие и экран аппроксимировались конфокальными пароболоидами [1,2]) Е = U/ [кLn (2R/r)], где r — удвоенное фокусное расстояние параболоида; U — приложенное электрическое напряжение; R — расстояние от вершины до экрана; к — коэффициент, зависящий от геометрии установки ≈5÷10. Уменьшая радиус микроострия до 30÷50 нм, или приближая его к противоположному электроду, можно получить Е≈109 В/м уже при напряжении U <100 В.

Высокое электрическое поле у поверхности приводит к проявлению ряда интересных физических эффектов. Одним из наиболее важных с практической точки зрения является автоэлектронная (холодная) эмиссия. Механизм явления состоит в туннельном проникновении электронов из металла в вакуум через потенциальный барьер, который снижается и сужается сильным электрическим полем у вершины микроострия до такой степени, что вероятность проникновения электронов через него достигает заметных величин. Плотность автоэлектронного тока j зависит от величины работы выхода электронов материала поверхности & и напряженности электрического поля. Формула, полученная Фаулером и Нордгеймом [3], хорошо согласуется с экспериментом:

j = 1.54·10—6 {E2/ [& t2 (y)} exp {-6,83·107 &2/3υ (y) /F},

где y = 3.79·10—4 (√E) /&, функции υ (y) и t (y) табулированы.

При достаточно высоком положительном потенциале на микроострие начинается ионизация атомов окружающего газа у его поверхности. Таким образом, оно становится эффективным точечным ионным источником. Так, ионизация атомов гелия начинается при напряженности поля у поверхности равной 4,5·1010 В/м [4].

Третьим важнейшим эффектом, связанным с концентрированием электрического поля, является испарение атомов материала микроострия в достаточно сильном электрическом поле в виде ионов. Именно этот процесс и ограничивает возможности по увеличению напряженности поля у поверхности выше ≈1011 В/м, так как при интенсивном испарении атомов радиус при вершине увеличивается и, соответственно, напряженность снижается. Теория этого явления изложена в [5]. Имеются два подхода к его объяснению. Модель сил изображения рассматривает полевое испарение как удаление металлического иона заряда n через барьер, возникающий при суперпозиции потенциальной энергии -neFx, создаваемой приложенным полем F на расстоянии x от поверхности и потенциальной энергии изображения (ne) 2/4x. Для энергии активации Qn полевого испарения поверхностного атома в виде n — кратного иона получается выражение: Qn= Q0- (ne) 3/2F½, (•)

где Q0 — энергия, требуемая для удаления поверхностного атома в виде n — кратного иона на бесконечность в отсутствие поля.

Альтернативная модель «постионизации» (или обмена зарядом) рассматривает полевую десорбцию атома А с металла М как переход из состояния А+М в состояние Аn++Mn-. Переход происходит на критическом расстоянии хkр, где потенциальные энергии этих двух состояний равны. Для энергии активации получается более сложная формула, требующая знания значительного числа параметров иона:

На вершине микроострия возможно получить рекордно чистую и атомарно — гладкую поверхность. Эта «суперполировка» достигается за счет эффекта испарения материала в сильном электрическом поле. При наличии достаточного электрического поля идеально чистая поверхность может сохраняться неограниченно долго.

Механические свойства

Давно известно, что уменьшение размеров образца способствует повышению его прочности. Особенно возрос интерес к этому явлению в последнее время, в связи с развитием нанотехнологий. Наиболее заметным становится этот эффект при диаметрах меньше 1 мкм. В этом случае прочность повышается в десятки раз и приближается к теоретически предельным значениям. Так, если массивный вольфрам имеет прочность σ = 200 кг/мм2 то микроострия из него же с диаметром при вершине 0.1 мкм имеют прочность 2000 кг/мм2 [6]. Прочность железа на разрыв 27 кг/мм2, а «усов» из него 1350 кг/мм2. Но рекорд принадлежит графиту — микрообразцы прочнее массивного материала в 2000 раз [7]. Причину этих явлений объясняет теория масштабного эффекта, в основе которой лежит предположение, что чем меньше объем образца, тем меньше вероятность нахождения в нем опасного дефекта [8]. Эта теория дает качественно верные предсказания. Согласуется с экспериментом и кинетическая теория масштабного фактора в прочности материалов [9]. Однако ситуация при наличии дефектов (например, радиационного происхождения) значительно усложняется, и такие простые теории не дают удовлетворительных предсказаний.

До сих пор нет единого мнения относительно предельно возможных значений прочности. Теоретические оценки предельной прочности σ можно разбить на три группы:

1.Простые оценки, сделанные исходя только из модулей упругости без учета процессов пластической деформации. Наиболее разумной оценкой, на наш взгляд, является σ=E*/10 [10], где E* — модуль Юнга.

2.Оценки, учитывающие также энергетические параметры материала. Наиболее широкую известность приобрела формула Орована [11], которая получена в предположении, что зависимость напряжение-смещение при нормальном отрыве атомных плоскостей может аппроксимироваться первой половиной синусоиды с начальным углом наклона, равным модулю Юнга. Предполагается также, что работа разрушения равна эффективной поверхностной энергии γ. Исходя из этого получена формула σ = γ (E*/а) 1/2, где а — расстояние между атомными плоскостями, перпендикулярными к оси растяжения. В модифицированном варианте этой идеи вместо γ вводится более легко определимая энтальпия Н; σ = 2Е*Н/ (π (1-μ2)) 1/2, где μ — коэффициент Пуассона.

3.Уточненные расчеты, основанные на подсчете атомных связей и знании межатомных потенциалов [12–15]. Эти расчеты, несомненно, дадут в дальнейшем наиболее надежные результаты, но ввиду отсутствия или малой надежности многих требуемых исходных параметров проведены пока только для очень ограниченного числа материалов. В случае микроострий разумно ограничиться оценкой прочности на основе модуля упругости на растяжение. Это связано с тем, что образцы настолько малы, что процессы пластической деформации или образования новых поверхностей не являются определяющими (поэтому энергетические параметры можно не учитывать). Можно предположить, что при данных условиях нагружения разрушение происходит одновременно по всему сечению образца. Кроме того, низкая точность предварительных оценок все равно не позволяет пока произвести достаточно убедительное сравнение результатов расчетов по разным методикам. Экспериментальное определение прочности образцов с размерами порядка 1÷0,1 мкм представляет из себя непростую задачу. Поэтому экспериментальных данных в этой области очень мало. Так, например, в [16] для определения прочности углеродных нанотрубок в качестве нагружающего элемента использовался наконечник атомного силового микроскопа. В результате измерений была определена прочность жгута из нанотрубок (4,5±0,7) ·1010 Па, что примерно в 20 раз выше, чем для высокопрочных сталей. Несмотря на перспективную идею, трудоемкость таких экспериментов пока настолько высока, что без серьезной доработки эта методика вряд ли получит в ближайшее время широкое распространение. Причем, часто нет уверенности, что в данном случае достигается именно предельная прочность. Как правило, экспериментальные данные оказываются ниже расчетных. Можно предположить, что это связано с использованием образцов недостаточно малого размера, их перекосом в процессе нагружения, концентрацией напряжений и т. д.

Еще более сложной задачей, которая к настоящему времени не имеет удовлетворительного решения, является определение прочности образцов диаметром менее 0,1 мкм. Однако в связи с появлением таких потребностей предпринимаются попытки разработки соответствующих методик. Интересной представляется идея использования электростатического поля для разрушения образцов-микроострий. В проводниках, находящихся в электрическом поле, возникают механические напряжения. Они могут достигать предела прочности и быть причиной разрушения [17]. Неоднократно различные авторы пытались применить нагружение электрическим полем для оценки величины разрушающего механического напряжения микрообразцов [18,19]. В этих работах образцы имели форму микроострий с диаметрами при вершинах порядка 100 нм и располагались в вакууме на расстоянии нескольких сантиметров от плоского экрана перпендикулярно к нему. К образцу — микроострию прикладывали положительный электрический потенциал такой величины, что оно разрушалось «пондеромоторными» силами. Обычной практикой было оценивать величину механических напряжений на основе использования выражения для «отрицательного электростатического давления» s=e0E2/2 [20], где Е — напряженность электростатического поля в выбранной точке у поверхности проводника; e0 — диэлектрическая постоянная.

Механические напряжения в выбранном сечении образцов определялись путем суммирования сил, найденных с помощью вышеприведенной формулы на основе методики, описанной в [21]. Полученные результаты качественно соответствуют имеющимся представлениям и прогнозам относительно прочности металлов в диапазоне диаметров образцов 50 ÷100 нм.

Нами проведены эксперименты по разрушению в электростатическом поле микроострий с диаметром при вершине 50—100 нм из вольфрама, молибдена, нержавеющих сталей. Образцы помещались в автоионный микроскоп и нагружались электрическим полем по линейному закону с различной скоростью (102÷104 В/с) при температурах (300 K÷78 К). Во всех случаях образцы перед экспериментом выдерживали при напряжении 5 кВ до полного прекращения процессов испарения полем. Этим достигалось получение микроострий с одинаковыми исходными радиусами при вершине. С целью предотвращения электрического разряда в момент разрушения образца, последовательно с ним включалось сопротивление 1011 Ом. Момент разрушения регистрировался по характерному резкому изменению изображения.

Предположение о том, что в данном случае резко снижается прочность под действием электрического поля (о возможности таких эффектов см. [22]) вряд ли может быть принято, так как трудно объяснить, почему этот эффект не сказывается непосредственно у вершины микроострия, где напряженность электрического поля выше, и так катастрофически проявляется на расстоянии в несколько микрон от него. Выявленное несоответствие позволило предположить, что для оценки величины механических напряжений вдали от вершины микроострия разумнее производить расчет путем суммирования сил взаимного расталкивания зарядов, скопившихся на поверхности проводящего конуса. Выберем сферические координаты с началом в вершине образца-конуса и полярной осью вдоль оси конического острия с углом раствора 2θ«1 (θ–половина угла раствора конуса). Для этого случая в [20] найдено выражение для переменной части потенциала вблизи поверхности:

Отсюда можно вычислить напряженность поля

Нас интересует напряженность только на поверхности конического образца

Расчетная схема представлена на рис.2. Сечение, в котором определяется растягивающее механическое напряжение, находится на расстоянии А от вершины микроострия. Оси X и Y направлены от него в разные стороны. Общая длина микроострия равна А+В. Плотность заряда χ на боковой поверхности микроострия

χ=ε0E (r,Θ0).

Плотность заряда на закругленной вершине можно определить (следуя обычной практике в автоионной микроскопии) по формуле

χ=ε0U/ (kR0),

где коэффициент k принимает значения 5÷10 (для нашей установки k=5). Просуммировав силы взаимного расталкивания зарядов χ1R1dφ1dx и χ2R2dφ2dy, расположенных по разные стороны от выбранного сечения микроострия, можно оценить суммарную силу F действующую в данном сечении по формуле,

где: R1 = R0+ (A-х) tgΘ0; R2 = R0+ (A+y) tgΘ0; j1, j2— углы, отсчитываемые от оси Z в плоскостях, перпендикулярных оси x.

В данном случае предел интегрирования λ не может быть нулем (в противном случае интеграл расходится). Можно предположить, что λ по порядку величины должен соответствовать расстоянию между ионными остовами, выступающими над поверхностью. Численный расчет по этой формуле (методом Монте-Карло) дает результаты, согласующиеся по порядку величины с экспериментом и очень слабо зависящие от величины λ (рис.3).