Наностолбики — это новая технология в области наноструктур . Наностолбики — это наноструктуры в форме столбиков диаметром около 10 нанометров, которые можно группировать в решетчатые массивы. [1] Они представляют собой тип метаматериала , что означает, что наностолбики получают свои атрибуты от группировки в искусственно созданные структуры, а не от своих природных свойств. Наностолбики отличаются от других наноструктур своей уникальной формой. Каждый наностолбик имеет форму столбика внизу и сужающийся заостренный конец наверху. Эта форма в сочетании со способностью наностолбиков группироваться вместе проявляет множество полезных свойств. Наностолбики имеют множество применений, включая эффективные солнечные панели , анализ с высоким разрешением и антибактериальные поверхности.
Благодаря своим сужающимся концам наностолбики очень эффективны при захвате света. Поверхности солнечных коллекторов, покрытые наностолбиками, в три раза эффективнее солнечных элементов на основе нанопроволок . [2] Для создания солнечного элемента из наностолбиков требуется меньше материала по сравнению с обычными полупроводниковыми материалами. Они также хорошо выдерживают процесс производства солнечных панелей. Такая прочность позволяет производителям использовать более дешевые материалы и менее дорогие методы для производства солнечных панелей. Исследователи изучают возможность добавления легирующих примесей в нижнюю часть наностолбиков, [3] чтобы увеличить время, в течение которого фотоны будут отскакивать от столбиков, и, таким образом, количество улавливаемого света. Помимо более эффективного захвата света, использование наностолбиков в солнечных панелях позволит им быть гибкими. Гибкость дает производителям больше возможностей в выборе формы солнечных панелей, а также снижает затраты с точки зрения того, насколько деликатно нужно обращаться с панелями. [4] Хотя наностолбики более эффективны и дешевле стандартных материалов, ученым пока не удалось наладить их массовое производство. Это существенный недостаток использования наностолбиков в производственном процессе.
Наностолбики также выполняют функции за пределами электроники и могут имитировать защитные механизмы природы. Крылья цикад покрыты крошечными стержнями в форме наностолбиков. Когда бактерия садится на крыло цикады, ее клеточная мембрана прилипает к наностолбикам и щелям между ними, разрывая ее. Поскольку стержни на цикадах примерно такого же размера и формы, как и искусственные наностолбики, люди могут скопировать эту защиту. Поверхность, покрытая наностолбиками, немедленно убьет все бактерии с мягкой мембраной. Более жесткие бактерии с большей вероятностью не разорвутся. Если их производить массово и устанавливать повсюду, наностолбики могут значительно снизить риск передачи заболеваний через прикосновение к инфицированным поверхностям. [5]
Существует несколько моделей, предложенных для объяснения антибактериального механизма наностолбиков. Согласно модели растяжения и механоиндукции [6] для относительно однородной нанотопографии, такой как наностолбики, обнаруженные на крыле цикады, бактерии погибают из-за разрыва стенки бактериальной клетки, которая подвешена между двумя соседними наностолбиками, а не из-за механизма прокалывания. Было обнаружено, что такие характеристики наностолбиков, как высота, плотность и острота наностолбиков, влияют на общие антибактериальные свойства наностолбиков. Однако относительную корреляцию характеристик наностолбиков трудно установить из-за нескольких противоречивых результатов в литературе. [7] Альтернативный антибактериальный механизм наностолбиков включает потенциальные эффекты силы сдвига, [8] отрицательную физиологическую реакцию бактерий, [9] и эффекты внутреннего давления от взаимодействия между бактериальными поверхностными белками и наностолбиками. [10]
Другое применение наностолбиков — наблюдение за клетками. Наностолбики так хорошо улавливают свет, что когда на них попадает свет, свечение, испускаемое наностолбиками, затухает примерно на 150 нанометрах. Поскольку это расстояние меньше длины волны света, это позволяет исследователям наблюдать за небольшими объектами без помех от фонового света. [11] Это особенно полезно в клеточном анализе. Клетки группируются вокруг наностолбиков из-за их малого размера и распознают их как органеллы. [12] Наностолбики просто удерживают клетки на месте, пока за ними наблюдают.
Наностолбы используются в квантовых технологиях для повышения эффективности вывода фотонов флуоресцентных дефектов. Наностолбы особенно эффективны в контексте цветовых центров, размещенных в алмазе . [13] Из-за высокого показателя преломления алмаза большинство фотонов, возникающих из флуоресценции, например, азотно-вакансионных (NV) центров, теряются из-за полного внутреннего отражения . Наностолбы могут повышать эффективность вывода и направленность излучения цветовых центров. Это позволяет значительно повысить чувствительность для применения квантового зондирования NV, как в контексте наномасштабного ядерного магнитного резонанса , так и квантовой магнитометрии (например, в форме сканирующей зондовой микроскопии ). Чжу и др. показали, что крайне важно включить соответствующее сужение наностолбов для максимизации эффективности сбора. [13]
В 2006 году исследователи из Университета Небраски-Линкольна и Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе разработали более дешевый и эффективный способ создания наностолбиков. Они использовали комбинацию наносферной литографии (способ организации решетки) и реактивного ионного травления (формование наностолбиков в нужную форму), чтобы создать большие группы кремниевых столбиков с диаметром менее 500 нм. [14] Затем, в 2010 году, исследователи изобрели способ изготовления наностолбиков с коническими концами. [15] Прежняя конструкция столбика с плоской тупой вершиной отражала большую часть света, падающего на столбики. Конические вершины позволяют свету проникать в лес наностолбиков, а более широкое дно поглощает почти весь свет, который на него падает. Эта конструкция захватывает около 99% света, тогда как наностержни , имеющие равномерную толщину, захватывают только 85% света. После появления конических концов исследователи начали находить гораздо больше вариантов применения наностолбиков.
Создание наностолбиков — простая, но длительная процедура, которая может занять несколько часов. [16] Процесс создания наностолбиков начинается с анодирования алюминиевой фольги толщиной 2,5 мм. Анодирование фольги создает поры в фольге глубиной в микрометр и шириной в 60 нанометров. Следующий шаг — обработка фольги фосфорной кислотой, которая расширяет поры до 130 нанометров. Фольга анодируется еще раз, делая ее поры на микрометр глубже. Наконец, в поры добавляется небольшое количество золота, чтобы катализировать реакцию для роста полупроводникового материала . Когда алюминий соскребается, внутри оболочки из оксида алюминия остается лес наностолбиков. [17] Кроме того, столбчатые и трубчатые структуры также могут быть изготовлены с помощью подхода «сверху вниз» комбинации глубокой УФ-литографии (DUV) и атомно-слоевого осаждения (ALD). [18] [19]