Trilha de íons - Ion track

Campos de tensão (brilhantes) em torno dos núcleos da trilha de íons em FeCr ₂ O ₄ .

Trilhas de íons são trilhas de danos criadas por íons pesados e rápidos que penetram através de sólidos, que podem ser suficientemente contíguos para corrosão química em uma variedade de sólidos cristalinos, vítreos e / ou poliméricos. Eles estão associados a regiões de danos cilíndricos com vários nanômetros de diâmetro e podem ser estudados por espectrometria de retroespalhamento de Rutherford (RBS), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espalhamento de nêutrons de baixo ângulo (SANS), espalhamento de raios X de baixo ângulo ( SAXS ) ou permeação de gás .

Tecnologia Ion Track

A tecnologia de trilha de íons lida com a produção e aplicação de trilhas de íons em microtecnologia e nanotecnologia . Trilhas de íons podem ser gravadas seletivamente em muitos sólidos isolantes, levando a cones ou cilindros, com até 8 nanômetros de diâmetro. Cilindros de trilha gravados podem ser usados como filtros , contra microcanais Coulter , ser modificados com monocamadas ou preenchidos por galvanoplastia .

A tecnologia de rastreamento de íons foi desenvolvida para preencher certas áreas de nicho onde a nanolitografia convencional falha, incluindo:

Moldagem direta de minerais , vidros e polímeros resistentes à radiação
Geração de estruturas alongadas com um limite de resolução de até 8 nanômetros
Geração direta de furos em filmes finos sem nenhum processo de revelação
Definição de profundidade estrutural por faixa de íons, em vez de espessura alvo
Gerando estruturas com proporção (profundidade dividida pela largura) de até 10 ⁴ .
Moldar materiais rígidos e flexíveis em um ângulo de corte definido
Explorando o reino das texturas alinhadas com ângulos de inclinação definidos
Geração de padrões aleatórios consistindo em faixas únicas parcialmente sobrepostas
Geração de um grande número de estruturas individuais de via única
Geração de padrões direcionados que consistem em trilhas individuais individuais

Materiais suscetíveis ao registro de rastreamento de íons

A classe de materiais de registro de rastreamento de íons é caracterizada pelas seguintes propriedades:

Alta homogeneidade : as variações de densidade local do material original devem ser pequenas em comparação com o déficit de densidade do núcleo da trilha de íons. Materiais opticamente translúcidos , como policarbonato e fluoreto de polivinilideno , têm essa propriedade. Polímeros granulados, como politetrafluoroetileno , não têm essa propriedade.
Alta resistência elétrica : minerais dielétricos não condutores , vidros e polímeros têm essa propriedade, enquanto metais e ligas altamente condutores não têm essa propriedade. Nos metais, a difusividade térmica está acoplada à condutividade elétrica , suprimindo a formação de um pico térmico.
Alta sensibilidade à radiação : os polímeros têm alta sensibilidade à radiação em comparação com vidros e cristais iônicos. O efeito da radiação em polímeros é causado pela cascata de elétrons secundária, induzindo tanto a cisão da cadeia (dominando no núcleo da trilha) quanto a reticulação (dominando no halo da trilha).
Mobilidade atômica baixa : Para a corrosão seletiva da trilha de íons, o contraste de densidade entre a trilha de íons latentes e o material puro deve ser alto. O contraste diminui devido à difusão , dependendo da mobilidade atômica . As trilhas de íons podem ser recozidas. O apagamento é mais rápido em vidros do que em cristais iônicos .

Aparelho e métodos de irradiação

Vários tipos de geradores de íons pesados rápidos e esquemas de irradiação são usados atualmente:

Fontes alfa e de fissão fornecem feixes de baixa intensidade com ampla distribuição angular, de massa e de energia. A faixa dos fragmentos de fissão emitidos é limitada a cerca de 15 micrômetros em polímeros. Fontes fracas de califórnio -252 ou amerício -241 são usadas para explorações científicas e tecnológicas. Eles são compactos, baratos e podem ser manuseados com segurança.	Irradiação com radionuclídeo
Os reatores nucleares fornecem fragmentos de fissão com ampla distribuição angular, massa e energia. Semelhante às fontes alfa e de fissão , a faixa de penetração dos fragmentos de fissão emitidos é limitada a cerca de 15 micrômetros em polímeros. Reatores nucleares são usados para a produção de filtros .	Irradiação no reator nuclear
Os aceleradores de partículas de íons pesados fornecem irradiações de feixe paralelo em alta luminosidade com íons de massa, energia e ângulo de inclinação definidos. As intensidades estão disponíveis em amplas faixas, até bilhões de íons por segundo. Dependendo da energia disponível, podem ser produzidos comprimentos de pista entre algumas e várias centenas de micrômetros. Os aceleradores são usados em micro e nanotecnologia . A contaminação radioativa está ausente nas energias de íons abaixo da barreira de Coulomb .	Irradiação no acelerador de íons
As irradiações de íon único são usadas para fabricar micro e nanoestruturas individuais, como cones, canais, pinos e fios. A técnica requer um feixe de íons fraco que pode ser desligado após um íon ter penetrado na folha alvo.	Sistema de íon único
Os micro-feixes de íons oferecem o mais alto nível de controle do processo de irradiação. Isso restringe a saída de um acelerador de íons pesados a um pequeno filamento que pode ser varrido sobre a superfície da amostra. Riscando com íons pesados rápidos individuais é possível com uma precisão de mira de cerca de um micrômetro.	Sistema de micro feixe de íons

Formação de trilhas de íons

Quando um íon pesado rápido penetra através de um sólido, ele deixa para trás um traço de material irregular e modificado confinado a um cilindro de poucos nanômetros de diâmetro. A transferência de energia entre o íon do projétil pesado e os elétrons-alvo leves ocorre em colisões binárias . Os elétrons primários eliminados deixam uma região carregada para trás, induzindo uma cascata de colisão de elétrons secundária envolvendo um número crescente de elétrons de energia decrescente. Esta cascata de colisão de elétrons para quando a ionização não é mais possível. A energia restante leva à excitação atômica e vibração, produzindo ( calor ). Devido à grande proporção de massa próton-elétron , a energia do projétil diminui gradualmente e o caminho do projétil é reto. Uma pequena fração da energia transferida permanece como uma trilha de íons no sólido. O diâmetro da trilha de íons aumenta com o aumento da sensibilidade à radiação do material. Vários modelos são usados para descrever a formação de traços de íons.

De acordo com o modelo de pico de explosão de íons, a ionização primária induz uma cascata de colisão atômica , resultando em uma zona desordenada ao redor da trajetória do íon.

De acordo com o electrão cascata colisão modelo as secundárias electrões induzir um efeito de radiação no material, semelhante a uma irradiação de electrões espacialmente confinado. O modelo de cascata de colisão de elétrons é particularmente adequado para polímeros.

De acordo com o modelo de pico térmico , a cascata de colisão de elétrons é responsável pela transferência de energia entre o íon do projétil e os núcleos alvo. Se a temperatura exceder a temperatura de fusão da substância alvo, um líquido é formado. A rápida têmpera deixa para trás um estado amorfo com densidade diminuída. Sua desordem corresponde à trilha de íons.

O modelo de pico térmico sugere que a sensibilidade à radiação de diferentes materiais depende de sua condutividade térmica e de sua temperatura de fusão.

A
trilha de íons do modelo de pico térmico corresponde à desordem congelada após a rápida extinção da zona de fusão em torno da trajetória do íon. Temperatura representada pela cor. Caminho do íon vertical ao plano da imagem.
Trajetória de íons latentes em mica muscovita . Dependendo do poder de parada do íon do projétil, a largura da trilha é entre 4 e 10 nanômetros.
Simulação de dinâmica molecular da cascata de colisão em ouro.
Limite de gravação de trilha : entrada de energia necessária para gravação seletiva. Para cristais iônicos, o limite aumenta com a condutividade do calor. FeBSiC de metal amorfo incluído para comparação.

Métodos de gravação

Gravura seletiva de íons

A corrosão seletiva de rastreamento de íons está intimamente relacionada à corrosão seletiva de contornos de grão e deslocamentos de cristal . O processo de corrosão deve ser suficientemente lento para discriminar entre o material irradiado e o material puro. A forma resultante depende do tipo de material, da concentração do condicionador e da temperatura do banho de corrosão. Em cristais e vidros, a corrosão seletiva se deve à densidade reduzida da trilha de íons. Em polímeros, a corrosão seletiva é devida à fragmentação do polímero no núcleo da trilha de íons. A zona central é cercada por um halo de trilha em que a reticulação pode impedir a gravação da trilha. Após a remoção do halo de trilha reticulada, o raio da trilha torna-se linear no tempo. O resultado da corrosão seletiva é uma depressão, poro ou canal.

Condicionamento aprimorado com surfactante

A corrosão aprimorada com surfactante é usada para modificar as formas das trilhas de íons. Baseia-se em monocamadas auto-organizadas . As monocamadas são semipermeáveis para os íons solvatados do meio de corrosão e reduzem o ataque à superfície. Dependendo da concentração relativa do surfactante e do meio de corrosão, são obtidos poros de faixa de íon em forma de cilindro ou cilíndrica. A técnica pode ser usada para aumentar a proporção da imagem .

Outra terminologia relacionada

Irradiação e processamento repetidos : Um processo de irradiação e corrosão em duas etapas usado para criar poços perfurados.

Os ângulos de irradiação arbitrários impõem uma anisotropia ao longo de um eixo de simetria específico.

Os canais multiangulares são redes interpenetrantes que consistem em duas ou mais matrizes de canais em diferentes direções.

Gravação de dupla face da trilha de íons na proporção de gravação de 5: 1.
Canais de trilha de íons assimétricos com diâmetro superior fortemente reduzido.
Micropoços com fundo perfurado.
Duas membranas com diferentes inclinações do canal (vertical e 45 graus).
Três membranas perfuradas em dois ângulos de suporte (± 10, ± 20, ± 45 graus).

Rastreio de gravação de polímeros comuns
Material	pH	Ácido úmido	Sensibilizador ¹⁾	Dessensibilizador ²⁾	T / C ³⁾	Velocidade ⁴⁾	Seletividade ⁵⁾
PC	básico	NaOH	UV	Alcoóis	50-80	Rápido	100-10000
BICHO DE ESTIMAÇÃO	básico	NaOH	UV, DMF	Alcoóis	50-90	Rápido	10-1000
	básico	K ₂ CO ₃			80	Lento	1000
PI	básico	NaOCl		NaOH	50-80	Rápido	100-1000
CR39	básico	NaOH	UV		50-80	Rápido	10-1000
PVDF ⁶⁾	básico	KMnO ₄ + NaOH			80	Médio	10-100
PMMA ⁶⁾	ácido	KMnO ₄ + H ₂ SO ₄			50-80	Médio	10
PP ⁶⁾	ácido	CrO ₃ + H ₂ SO ₄			80	Rápido	10-100

^{1) Os} sensibilizadores aumentam a taxa de gravação da trilha quebrando as ligações ou aumentando o volume livre.
^{2) Os} dessensibilizadores diminuem a proporção do track etch. Alternativamente, as trilhas de íons podem ser termicamente recozidas.
³⁾ Faixa de temperatura típica do banho de corrosão. As taxas de corrosão aumentam fortemente com a concentração e a temperatura.
⁴⁾ A gravação axial depende da velocidade de gravação da trilha v _t , a gravação radial depende da velocidade de gravação geral v _g .
⁵⁾ Seletividade (relação de aspecto, relação de gravação de trilha) = velocidade de gravação de trilha / velocidade de gravação geral = v _t / v _g .
⁶⁾ Este método requer a remoção dos depósitos de óxido metálico restantes por soluções aquosas de HCl.

Replicação

Trilhas de íons gravados podem ser replicadas por polímeros ou metais . A réplica e o modelo podem ser usados como compostos . Uma réplica pode ser separada de seu modelo mecanicamente ou quimicamente. As réplicas de polímero são obtidas preenchendo a trilha gravada com um precursor líquido do polímero e curando -o. A cura pode ser ativada por um catalisador , por radiação ultravioleta ou por calor . As réplicas de metal podem ser obtidas por deposição não eletrolítica ou por eletrodeposição . Para a replicação dos poros, um filme catódico é depositado em um lado da membrana, e a membrana é imersa em uma solução de sal de metal. O filme do cátodo é carregado negativamente em relação ao ânodo, que é colocado no lado oposto da membrana. Os íons metálicos positivos são puxados em direção ao cátodo, onde capturam elétrons e precipitam como um filme metálico compacto. Durante a eletrodeposição, os canais são preenchidos gradualmente com metal e os comprimentos dos nanofios são controlados pelo tempo de deposição. A deposição rápida leva a fios policristalinos, enquanto a deposição lenta leva a fios monocristalinos. Uma réplica autônoma é obtida removendo o gabarito após a deposição de um filme de apoio no lado do ânodo da membrana.

Redes de fios interpenetrantes são fabricadas por eletrodeposição em membranas gravadas em vários ângulos. Redes tridimensionais independentes com complexidade sintonizável e conectividade interwire são obtidas.

Os nanofios segmentados são fabricados alternando a polaridade durante a eletrodeposição. O comprimento do segmento é ajustado pela duração do pulso. Desta forma, as propriedades elétricas, térmicas e ópticas podem ser ajustadas.

Réplica de metal independente de trilhas de íon gravadas no PC
Rede com fio interpenetrante
Pacote de nanofios de platina segmentados

Formulários

Microtecnologia : As ferramentas mecânicas comuns do macromundo estão sendo suplementadas e complementadas e, em algumas aplicações, substituídas por feixes de partículas . Aqui, os feixes de fótons e elétrons modificam a solubilidade dos polímeros sensíveis à radiação , os chamados " resiste ", enquanto o mascaramento protege uma área selecionada da exposição à radiação , ataque químico e erosão por impacto atômico . Os produtos típicos produzidos dessa maneira são circuitos integrados e microssistemas . Atualmente, o campo da microtecnologia está se expandindo em direção à nanotecnologia . Um ramo recente da microfabricação é baseado na manipulação de íons individuais .

Geologia: trilhas de íons são úteis porque podem permanecer inalteradas por milhões de anos em minerais. Sua densidade fornece informações sobre o momento em que o mineral solidificou a partir de seu derretimento e são usados como relógios geológicos na datação de traços de fissão

Filtros : os filtros homoporosos estiveram entre as primeiras aplicações da tecnologia de trilha de íons e agora são fabricados por várias empresas. Membranas de mica com poros de rastreamento de íons foram utilizadas por Beck e Schultz para determinar o mecanismo de difusão dificultada em nanoporos.

Classificando micro e nanopartículas : A resistência de um canal preenchido por um eletrólito depende do volume da partícula que passa por ele. Esta técnica é aplicada à contagem e dimensionamento de células vermelhas do sangue, bactérias e partículas de vírus individuais.

Sensor de pH : Canais carregados preenchidos com um eletrólito têm uma condutividade de superfície , além da condutividade de volume regular do eletrólito. Os íons presos a uma superfície carregada atraem uma nuvem de contra- íons móveis . Os íons fixos e móveis formam uma camada dupla . Para canais pequenos, a condutividade superficial é responsável pela maior parte do transporte de carga. Para canais pequenos, a condutividade da superfície excede a condutividade do volume . Cargas superficiais negativas podem ser ocupadas por prótons firmemente ligados. Em pH baixo (alta concentração de prótons), a carga da parede é completamente neutralizada. A condutividade da superfície desaparece. Devido à dependência da condutividade da superfície do pH, o canal se torna um sensor de pH.

Poros de retificação de corrente : Os poros assimétricos são obtidos por corrosão unilateral. A assimetria geométrica se traduz em uma assimetria de condução. O fenômeno é semelhante ao de uma válvula elétrica. O poro tem dois estados de condução característicos, aberto e fechado. Acima de uma certa tensão, a válvula abre. Abaixo de uma certa tensão, a válvula fecha.

Canal termo-responsivo : Obtido revestindo um canal com um gel termo-responsivo .

Bio-sensor : a modificação química da parede do canal altera sua interação com as partículas que passam. Diferentes revestimentos de parede se ligam a moléculas específicas e atrasam sua passagem. Nesse sentido, a parede reconhece a partícula que passa. Como exemplo, fragmentos de DNA são seletivamente ligados por seus fragmentos complementares. As moléculas anexadas reduzem o volume do canal. A mudança de resistência induzida reflete a concentração da molécula.

Condução anisotrópica : uma plataforma coberta com muitos fios independentes atua como um emissor de campo de grande área.

Multicamadas magnéticas : nanofios consistindo em camadas alternadas magnéticas / não magnéticas atuam como sensores magnéticos. Como exemplo, os nanofios de cobalto / cobre são obtidos a partir de um eletrólito contendo ambos os metais. Em baixa tensão, cobre puro é depositado, enquanto o cobalto resiste à eletrodeposição. Em alta tensão, ambos os metais são depositados como uma liga. Se o eletrólito contém predominantemente cobalto, uma liga magnética de cobalto-cobalto é depositada com uma alta fração de cobalto. A condutividade elétrica do fio multicamadas depende do campo magnético externo aplicado. A ordem magnética das camadas de cobalto aumenta com o campo aplicado. Sem campo magnético, as camadas magnéticas vizinhas preferem a ordem antiparalela. Com o campo magnético, as camadas magnéticas preferem a orientação paralela ao campo magnético. A orientação paralela corresponde a uma resistência elétrica reduzida. O efeito é usado na leitura de cabeçotes de mídia de armazenamento magnético (o "efeito GMR").

Spintrônica : a estrutura da válvula de spin consiste em duas camadas magnéticas de espessuras diferentes. A camada espessa tem maior estabilidade magnética e é usada como polarizador. A camada fina atua como analisador. Dependendo de sua direção de magnetização em relação ao polarizador (paralelo ou antiparalelo), sua condutividade é baixa ou alta, respectivamente.

Texturas : as texturas inclinadas com um revestimento hidrofóbico são ao mesmo tempo super-hidrofóbicas e anisotrópicas e mostram uma direção preferencial de transporte. Foi demonstrado que o efeito converte vibração em translação.

Faixas de íon gravadas
Canal de trânsito de partículas . A queda de corrente transiente é proporcional ao volume da partícula.
Sensor de pH : O círculo móvel representa a seção transversal de um canal carregado negativamente. Esquerda: Em pH baixo, todas as cargas de superfície são ocupadas por prótons (baixa condutividade). Direita: Em pH alto, todas as cargas de superfície estão disponíveis (alta condutividade).
O poro assimétrico transmite íons positivos preferencialmente da direita para a esquerda.
Canal termo-responsivo . O canal revestido de hidrogel abre acima e fecha abaixo da temperatura crítica do hidrogel.
Sensor bioespecífico . A resistência elétrica de um canal revestido com um imuno-reagente depende da concentração de uma molécula específica.
Matriz de emissor de campo
Magnetosensor multicamadas .
Baixo campo magnético : orientação antiparalela e alta resistência.
Campo magnético alto : orientação paralela e baixa resistência.
Spin Analyzer
A perda de energia de elétrons com polarização spin depende da orientação magnética do analisador. Esquerda: polarizador (azul: spin-up). À direita: analisador (azul: aumento da rotação; vermelho: redução da rotação).
Textura de trilha inclinada com propriedades de transporte assimétrico.