이온 트랙

Ion track
FeCrO의24 이온 트랙 코어 주위의 변형장(밝음).

이온 궤적은 고형물을 관통하는 신속한 중이온에 의해 생성되는 손상 궤적이며, 다양한 결정성, 유리성 및/또는 고분자 [1][2]고형물에서의 화학적 식각에는 충분히 인접할 수 있다.이들은 직경[3][4] 수 나노미터의 원통형 손상 영역과 관련되어 있으며 러더포드 후방 산란 분광법(RBS), 투과 전자 현미경(TEM), 소각 중성자 산란(SANS), 소각 X선 산란(SAXS) 또는 가스 [5]투과로 연구할 수 있다.

이온 트랙 테크놀로지

이온트랙 기술은 마이크로테크놀로지 [6]및 나노테크놀로지에서의 이온트랙의 생산과 적용을 다룬다.이온 트랙은 많은 절연성 고형물에서 선택적으로 식각될 수 있으며,[7] 지름 8나노미터 이하의 원추체 또는 실린더로 이어집니다.식각된 트랙 실린더는 필터,[8][9] 쿨터 카운터 마이크로 채널,[10] 단분자로 [11]수정되거나 전기 [12][13]도금으로 채워질 수 있습니다.

이온 트랙 기술은 다음과 같은 기존 나노 리소그래피가 실패한 특정 틈새 영역을 채우기 위해 개발되었습니다.

  • 내방사선성 광물, 유리 및 폴리머의[2] 직접 성형
  • 분해능 한계가 8나노미터[7] 이하인 가늘고 긴 구조물 생성
  • 현상[14] 과정 없이 박막에서 직접 구멍 생성
  • 구조[15][16] 깊이를 목표 두께가 아닌 이온 범위로 정의
  • 최대 [2]10개의4 석면비(깊이를 폭으로 나눈 것)를 가진 구조물을 생성한다.
  • 정해진 절단[17] 각도로 견고하고 유연한 재료 성형
  • 정의된 기울기[18] 각도로 정렬된 텍스처 영역 탐색
  • 부분적으로 겹치는 단일[19] 트랙으로 구성된 랜덤 패턴 생성
  • 다수의 개별 단일 트랙 구조[20] 생성
  • 개별 단일[21] 트랙으로 구성된 목표 패턴 생성

이온 트랙 기록에 취약한 재료

이온 트랙 기록 재료의 등급은 다음과 같은 [2]특성을 특징으로 합니다.

  • 높은 균질성:이온 트랙 코어의 밀도 결손에 비해 순수 재료의 국소 밀도 변화는 작아야 합니다.폴리카보네이트 및 플루오르화 폴리비닐리덴과 같은 광학 반투명 재료는 이러한 특성을 가집니다.폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 입자상 폴리머는 이러한 성질을 가지고 있지 않다.
  • 높은 전기저항: 비전도성 유전체 광물, 유리 및 고분자에는 이러한 특성이 있지만, 전도성이 높은 금속 및 합금은 이러한 특성이 없습니다.금속에서는 열확산율이 전기전도율과 결합되어 열스파이크의 형성을 억제한다.
  • 높은 방사선 감도:폴리머는 유리나 이온 결정보다 방사선 감도가 높다.고분자의 방사선 효과는 2차 전자 캐스케이드에 의해 발생하며, 연쇄 분리(트랙 코어에서 우세)와 가교(트랙 헤일로에서 우세)를 모두 유발합니다.
  • 저원자 이동성:선택적 이온 트랙 식각의 경우, 잠복 이온 트랙과 순수 재료 사이의 밀도 대비가 높아야 합니다.원자 이동도에 따라 확산으로 인해 대비가 희미해집니다.이온 트랙은 소둔할 수 있습니다.이온 크리스탈에 비해 안경에서 지워지는 속도가 빠르다.

조사장치 및 방법

현재 다음과 같은 여러 유형의 신속 중이온 발생기 및 조사 체계가 사용되고 있다.

알파 및 핵분열[22][23] 선원은 광범위한 각도, 질량 및 에너지 분포를 가진 저강도 빔을 제공한다.방출되는 핵분열 파편의 범위는 폴리머에서 약 15 마이크로미터로 제한됩니다.약한 칼리포늄-252 또는 아메리슘-241 선원은[24] 과학 및 기술 탐사에 사용된다.컴팩트하고 저렴하며 안전하게 취급할 수 있습니다.
방사성핵종을 이용한 조사
원자로는 광범위한 각도, 질량 및 에너지 분포를 가진 핵분열 파편을 제공한다.알파 및 핵분열원과 마찬가지로, 방출된 핵분열 파편의 침투 범위는 폴리머에서 약 15 마이크로미터로 제한됩니다.원자로는 필터 생산에 사용된다.
원자로 조사
중이온 입자 가속기는 정의된 질량, 에너지 및 기울기 [25][26][27]각도의 이온으로 높은 광도로 평행 빔 조사를 제공합니다.강도는 초당 수십억 개의 이온까지 광범위한 범위에서 사용할 수 있습니다.사용 가능한 에너지에 따라 수백 마이크로미터의 트랙 길이를 생성할 수 있습니다.가속기는 마이크로 및 나노 기술에 사용된다.쿨롱 [28]장벽 아래의 이온 에너지에는 방사능 오염이 없다.
이온가속기 조사
단일 이온 조사는 원뿔, 채널, 핀 및 [20]와이어와 같은 개별 미세 및 나노 구조를 제작하는 데 사용됩니다.이 기술을 사용하려면 이온 하나가 표적 포일을 관통한 후 꺼질 수 있는 약한 이온 빔이 필요합니다.
단이온계
이온 마이크로빔은 조사 과정의 최고 수준의 제어를 제공합니다.이는 중이온 가속기의 출력을 샘플 표면에서 스캔할 수 있는 작은 필라멘트로 제한합니다.약 [21]1마이크로미터의 조준 정밀도로 개별 스위프트 중이온에 의한 낙서가 가능합니다.
이온 마이크로빔 시스템

이온 트랙 형성

빠른 중이온이 고체를 통과하면 직경 수 나노미터의 실린더에 갇힌 불규칙하고 변형된 물질의 흔적을 남긴다.무거운 발사체 이온과 빛 표적 전자 사이의 에너지 전달은 2진 충돌로 발생합니다.녹아웃된 1차 전자는 전하 영역을 남겨두고 감소하는 에너지의 전자 수가 증가하는 2차 전자 충돌을 유발합니다.이 전자 충돌 캐스케이드는 이온화가 더 이상 가능하지 않을 때 멈춥니다.남은 에너지는 원자 들뜸과 진동을 일으켜 열을 발생시킨다.양성자 대 전자 질량비가 크기 때문에 발사체의 에너지가 점차 감소하고 발사체 경로가 [29]직선적입니다.전달된 에너지의 작은 부분은 고체에서 이온 트랙으로 남습니다.이온 트랙의 지름은 재료의 방사선 감도가 증가함에 따라 증가합니다.이온 트랙 형성을 설명하기 위해 여러 모델이 사용됩니다.

  • 이온 폭발 스파이크[30] 모델에 따르면 1차 이온화는 원자 충돌 [31]캐스케이드를 유도하여 이온 궤적 주위에 무질서한 영역을 형성한다.
  • 전자충돌 캐스케이드 모델에 따르면 2차 전자는 공간적으로 구속된 전자 [32]조사와 마찬가지로 물질 내에서 방사선 효과를 유도한다.전자 충돌 캐스케이드 모델은 폴리머에 특히 적합합니다.
  • 열스파이크 모델에 따르면 전자충돌 캐스케이드는 발사체 이온과 타깃 핵 사이의 에너지 전달을 담당한다.온도가 대상물질의 용해온도를 넘으면 액체가 형성된다.급속한 담금질은 밀도가 낮아진 비정질 상태를 남긴다.그것의 장애는 이온 트랙에 [3][33]해당된다.

열 스파이크 모델은 다양한 물질의 방사선 감도가 열 전도율과 용해 온도에 따라 결정된다는 것을 나타냅니다.

  • 서멀 스파이크 모델
    이온 궤적은 이온 궤적 주변의 녹는 영역이 급속하게 담금질된 후 동결 장애에 해당합니다.색상으로 표시되는 온도.이미지 평면에 수직인 이온 경로입니다.

  • 머스코바이트 운모의 잠복 이온 트랙.발사체 이온의 정지력에 따라 트랙 폭은 4~10나노미터입니다.

  • 금으로 된 충돌 캐스케이드 분자역학 시뮬레이션.

  • 트랙 식각 임계값: 선택적 식각에는 에너지 입력이 필요합니다.이온 결정의 경우 열 전도율에 따라 임계값이 증가합니다.비교를 위해 비정질 금속 FeBSiC를 포함합니다.

식각법

선택적 이온 식각

선택적 이온 트랙[2] 식각은 입자 경계 및 결정 전위의 선택적 식각과 밀접하게 관련되어 있습니다.식각 공정은 조사된 물질과 순수한 물질을 구별할 수 있을 정도로 충분히 느려야 합니다.그 결과 발생하는 모양은 재료의 종류, 식각제의 농도 및 식각조의 온도에 따라 달라집니다.결정 및 안경에서 선택적 식각은 이온 트랙의 밀도가 감소하기 때문입니다.폴리머에서 선택적 식각은 이온 트랙 코어의 폴리머 조각에 기인합니다.코어존은 가교로 인해 트랙에칭이 방해될 수 있는 트랙헤일로로 둘러싸여 있습니다.가교된 트랙 헤일로 제거 후 트랙 반경은 시간이 지남에 따라 선형으로 커집니다.선택적 식각의 결과는 홈, 모공 또는 채널입니다.

계면활성제 강화 식각

계면활성제 강화 식각은 이온 트랙 모양을 [34]수정하는 데 사용됩니다.그것은 자기 조직화된 [11]단분자를 기반으로 한다.단층층은 식각매질의 용해이온에 대한 반투과성이며 표면 공격을 감소시킨다.계면활성제와 식각매체의 상대농도에 따라 배럴 또는 원통형 이온트랙 기공을 얻을 수 있다.이 기술을 사용하여 가로 세로 [35]비율을 높일 수 있습니다.

기타 관련 용어

반복 조사 및 처리: 구멍 뚫린 유정을 만들기 위해 사용되는 2단계 조사 및 식각 공정입니다.

임의 조사 각도는 하나의 특정 대칭 축을 따라 이방성을 강제한다.

멀티앵글 채널은 서로 다른 방향의 2개 이상의 채널 배열로 구성된 상호 침투 네트워크입니다.

  • Double sided etching of track membrane

    트랙 식각비 5:1에서의 이온 트랙의 양면 식각.

  • 상부 직경이 크게 줄어든 비대칭 이온 트랙 채널.

  • 바닥이 천공된 마이크로웰.

  • 채널 기울기가 다른 두 개의 막(수직 및 45도)

  • 두 개의 스트럿 각도(±10, ±20, ±45도)에서 세 개의 막이 관통되었다.

일반적인[36] 폴리머의 트랙 식각
재료. pH 습식 식각제 감광제1) 디센서라이저2) 온도3) 속도4) 선택성5)
PC 기본의 NaOH UV 알코올 50-80 빠른 100-10000
애완동물 기본의 NaOH UV, DMF 알코올 50-90 빠른 10-1000
기본의 K2CO3 80 느리다 1000
PI 기본의 NaOCL NaOH 50-80 빠른 100-1000
CR39 기본의 NaOH UV 50-80 빠른 10-1000
PVDF6) 기본의 KMnO4 + NaOH 80 중간의 10-100
PMMA6) 산성의 KMnO4 + H2SO4 50-80 중간의 10
PP6) 산성의 CrO3 + H2SO4 80 빠른 10-100

1) 감작제는 결합을 끊거나 자유 볼륨을 증가시켜 트랙 식각 비율을 증가시킵니다.
2) 감광 해제 기능은 트랙 식각 비율을 낮춥니다.혹은 이온 트랙을 열소둔할 수 있다.
3) 일반적인 식각 욕조 온도 범위.식각 속도는 농도 및 온도에 따라 크게 증가합니다.
4) 축방향 식각은 트랙 식각 속도t v에 따라 달라지며, 방사형 식각은 일반적인 식각 속도g v에 따라 달라집니다.
5) 선택성(표준 비율, 트랙 식각 비율) = 트랙 식각 속도/일반 식각 속도 = vt/vg.
6) 이 방법에서는 HCl 수용액에 의해 잔류 금속 산화물 침전물을 제거해야 합니다.

레플리케이션

식각된 이온 흔적은 폴리머나 [12]금속에 의해[37] 복제될 수 있다.[38] 복제본과 템플리트를 복합체로 사용할 수 있습니다.복제본은 기계적으로 또는 화학적으로 템플릿에서 분리할 수 있습니다.에칭된 트랙에 폴리머의 액체 전구체를 충전하여 경화시킴으로써 폴리머 복제물을 얻을 수 있다.경화는 촉매, 자외선 또는 열에 의해 활성화될 수 있습니다.금속 복제품은 무전해 증착 또는 전착으로 얻을 수 있다.스루포어 복제를 위해 막의 한쪽 면에 음극막을 퇴적하고 금속염 용액에 담근다.음극막은 막의 반대편에 위치한 양극에 대해 음전하를 띤다.양극 금속 이온은 음극 쪽으로 당겨지고 거기서 전자를 잡아서 콤팩트 금속막으로 침전합니다.전기증착 시 채널은 점차 금속으로 채워지고 나노배선의 길이는 증착시간에 의해 제어된다.빠른 증착은 다결정 와이어로 이어지고 느린 증착은 단일 결정 와이어로 이어집니다.막의 양극 측에 베어링막을 퇴적시킨 후 템플릿을 제거함으로써 독립 레플리카를 얻을 수 있다.

상호관통형 와이어 네트워크는 다각의 트랙에칭된 막에 전착하여 제작됩니다.조정 가능한 복잡성과 배선간 접속성을 가진 독립형 3차원 네트워크를 얻을 [39]수 있다.

세그먼트 나노와이어는 전착 [40]중에 극성을 교대로 하여 제작된다.세그먼트 길이는 펄스 지속 시간에 따라 조정됩니다.이와 같이 전기적, 열적 및 광학적 특성을 조정할 수 있습니다.

  • PC에 식각된 이온 트랙의 프리 스탠딩 메탈 레플리카

  • 상호관통형 유선망

  • 세그먼트화된 백금 나노와이어 묶음

적용들

마이크로 테크놀로지:마크로월드의 일반적인 기계 공구는 입자 빔으로 대체 및 보완되고 있습니다.여기서 광자와 전자의 빔은 방사선에 민감한 고분자의 용해성, 이른바 "저항"을 수정하는 반면 마스킹은 선택된 영역을 방사선 피폭, 화학 공격 및 원자 충격에 의한 침식으로부터 보호한다.이런 방식으로 생산되는 대표적인 제품은 집적회로와 마이크로시스템입니다.현재 마이크로테크놀로지 분야는 나노테크놀로지로 확대되고 있다.최근 미세조립의 한 부문은 개별 이온의 조작에 기초하고 있다.

지질학:이온 자국은 광물에 수백만 년 동안 변하지 않고 남아있을 수 있기 때문에 유용하다.그들의 밀도는 광물이 녹아서 응고된 시간에 대한 정보를 제공하며, 핵분열 궤적 연대 측정에서 지질학적 시계로 사용됩니다.

필터:동종 필터는 이온 트랙 기술의 첫 번째[8] 응용 프로그램 중 하나였으며, 현재 여러 [41]회사가 제작하고 있습니다.Beck와 Schultz는 나노 [42][43]포어의 확산 방해 메커니즘을 측정하기 위해 이온 트랙 모공을 가진 운모막을 사용했습니다.

미세입자 및 나노입자 분류:전해질로 채워진 채널의 저항은 [10]채널을 통과하는 입자의 부피에 따라 달라집니다.이 기술은 개별 적혈구, 박테리아 및 바이러스 입자의 계수 및 크기에 적용됩니다.

pH 센서:전해액이 충전된 하전채널은 전해액의 정용량 도전성 외에 표면 전도성을 가진다.대전된 표면에 부착된 이온은 이동성 반작용 구름을 끌어당깁니다.고정 이온과 이동 이온은 이중층을 형성합니다.소규모 채널의 경우 표면 전도율이 전하 전송의 대부분을 담당합니다.소규모 채널의 경우 표면 전도율이 볼륨 전도율을 초과합니다.음의 표면 전하가 단단히 결합된 양성자에 의해 점유될 수 있습니다.낮은 pH(높은 양성자 농도)에서는 벽 전하가 완전히 중화된다.표면 전도성이 사라집니다.표면 전도율이 pH에 의존하기 때문에 채널이 pH [44]센서가 됩니다.

전류 정류 모공:단면 식각으로 비대칭 모공을 얻을 수 있다.기하학적 비대칭은 전도 비대칭으로 해석됩니다.이 현상은 전기 밸브와 유사합니다.모공에는 개방과 폐쇄라는 두 가지 특징적인 전도 상태가 있습니다.일정 전압 이상에서는 밸브가 열립니다.일정 전압 이하에서는 밸브가 [45][46]닫힙니다.

열반응성 채널: 채널에 열반응성 [47]겔을 라이닝하여 얻습니다.

바이오 센서:채널 벽의 화학적 수정은 통과하는 입자와의 상호작용을 변화시킵니다.다른 벽 부착물이 특정 분자에 결합하고 그들의 통과를 지연시킵니다.이런 의미에서 벽은 지나가는 입자를 인식한다.예를 들어 DNA 단편은 상보적인 단편으로 선택적으로 결합된다.부착된 분자는 채널 부피를 감소시킵니다.유도 저항 변화는 분자의 [48]농도를 반영한다.

이방성 전도:다수의 프리 스탠딩 와이어로 덮여 있는 플랫폼은 대규모 영역 필드 [49]이미터 역할을 합니다.

자기 다층 : 자기/비자기층을 번갈아 구성하는 나노와이어가 자기센서 역할을 한다.예를 들어 코발트/구리 나노와이어는 양금속을 포함한 전해질로부터 얻을 수 있다.저전압에서는 코발트가 전착에 저항하면서 순수 구리가 퇴적된다.고전압에서는 양금속이 합금으로 퇴적된다.전해액이 코발트 주성분일 경우 코발트 고분율로 자성 코발트-동합금을 퇴적시킨다.다층 와이어의 전기 전도율은 적용된 외부 자기장에 따라 달라집니다.코발트층의 자기 순서는 인가된 장에 따라 증가한다.자기장이 없으면 인접한 자기층은 반평행 순서를 선호합니다.자기장의 경우, 자성층은 자기장과 평행한 방향을 선호합니다.병렬 방향은 전기 저항 감소에 해당합니다.이 효과는 자기 저장 매체의 읽기 헤드에 사용됩니다("GMR 효과").[50]

스핀트로닉스: 스핀 밸브 구조는 두께가 다른 두 개의 자기 층으로 구성됩니다.두꺼운 층은 자기 안정성이 높고 편광자로 사용됩니다.얇은 층은 분석기 역할을 합니다.편광자(병렬 또는 역평행)에 대한 자화 방향에 따라 전도율이 각각 [51]낮거나 높다.

텍스처:소수성 코팅의 경사 텍스처는 초소수성과 이방성을 [18]동시에 가지며 바람직한 수송 방향을 나타낸다.이 효과는 진동을 [52]변환하는 것으로 입증되었습니다.

  • 식각 이온 궤도

  • 입자 수송 채널과도 전류 강하는 입자 부피에 비례합니다.

  • pH 센서:움직이는 원은 음으로 대전된 채널의 단면을 나타냅니다.왼쪽: 낮은 pH에서는 모든 표면 전하가 양성자에 의해 점유됩니다(저전도성).오른쪽: 높은 pH에서는 모든 표면 전하를 사용할 수 있습니다(고전도성).

  • 비대칭 기공은 양의 이온을 오른쪽에서 왼쪽으로 우선적으로 전달합니다.

  • 열응답 채널.하이드로겔 라인 채널은 하이드로겔의 임계 온도보다 위에서 열리고 닫힙니다.

  • 바이오스펙 센서면역 반응물로 덮인 채널의 전기 저항은 특정 분자의 농도에 따라 달라집니다.

  • 필드 이미터 어레이

  • 다층 자기 센서
    저자기장: 반평행 방향 및 고저항.
    고자기장: 병렬 방향 및 저저항.

  • 스핀 분석기
    스핀 편광 전자의 에너지 손실은 분석기의 자기 방향에 따라 달라집니다.왼쪽: 편광자(파란색: 스핀업).오른쪽: 분석기(파란색: 스핀업, 빨간색: 스핀다운).

  • 비대칭 전송 특성을 가진 기울어진 트랙 텍스처.

메모들

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