Pista de iones

Las trazas iónicas son rastros de daño creados por iones pesados ​​rápidos que penetran a través de sólidos, los cuales 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 gases . ^{[ 5 ]}

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

La tecnología de seguimiento de iones se ha desarrollado para cubrir ciertas áreas específicas donde 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 ]}
• Definir la profundidad estructural por rango de iones en lugar de por espesor del objetivo ^{[ 15 ] [ 16 ]}
• Generación de estructuras con una relación de aspecto (profundidad dividida por ancho) de hasta 10 ⁴ . ^{[ 2 ]}
• Dar forma a materiales rígidos y flexibles en un ángulo de corte definido ^{[ 17 ]}
• Explorando el ámbito de las texturas alineadas con ángulos de inclinación definidos ^{[ 18 ]}
• Generación de patrones aleatorios que consisten en pistas individuales parcialmente superpuestas ^{[ 19 ]}
• Generación de un gran número de estructuras de vía única individuales ^{[ 20 ]}
• Generación de patrones dirigidos que consisten en pistas individuales ^{[ 21 ]}

La clase de materiales de registro de trazas de iones se caracteriza por las siguientes propiedades: ^{[ 2 ]}

• Alta homogeneidad : Las variaciones de densidad local del material original deben ser pequeñas en comparación con el déficit de densidad del núcleo de la trayectoria iónica. Los materiales ópticamente translúcidos , como el policarbonato y el fluoruro de polivinilideno , poseen esta propiedad. Los polímeros granulados, como el politetrafluoroetileno, no la poseen.
• Alta resistencia eléctrica : Los minerales dieléctricos no conductores , los vidrios y los polímeros poseen esta propiedad, mientras que los metales y aleaciones altamente conductores carecen de ella. En los metales, la difusividad térmica está acoplada a la conductividad eléctrica , lo que suprime la formación de un pico térmico.
• Alta sensibilidad a la radiación : Los polímeros presentan una alta sensibilidad a la radiación en comparación con los vidrios y los cristales iónicos. El efecto de la radiación en los polímeros se debe a la cascada de electrones secundarios, que induce tanto la ruptura 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 trazas iónicas, el contraste de densidad entre la traza iónica latente y el material original debe ser alto. El contraste se desvanece debido a la difusión , dependiendo de la movilidad atómica . Las trazas iónicas pueden ser recocidas. El borrado es más rápido en vidrios que en cristales iónicos .

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

Cuando un ion pesado rápido penetra a través de un sólido, deja tras de sí un rastro de material irregular y modificado confinado a un cilindro de unos pocos nanómetros de diámetro. La transferencia de energía entre el ion pesado proyectil y los electrones ligeros del blanco se produce en colisiones binarias . Los electrones primarios expulsados ​​dejan una región cargada, induciendo una cascada de colisiones de electrones secundarios que involucra un número creciente de electrones de energía decreciente. Esta cascada de colisiones 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 traza de iones en el sólido. El diámetro de la traza de iones aumenta con la sensibilidad a la radiación del material. Se utilizan varios modelos para describir la formación de trazas de iones.

• Según el modelo de pico de explosión de iones ^{[ 30 ],} la ionización primaria induce una cascada de colisiones atómicas ^{[ 31 ]} , lo que resulta en una zona desordenada alrededor de la trayectoria del ion.

• 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 electrónicas es responsable de la transferencia de energía entre el ion proyectil y los núcleos del blanco. Si la temperatura supera el punto de fusión de la sustancia del blanco, se forma un líquido. El enfriamiento rápido deja un estado amorfo con densidad reducida. Su desorden corresponde a la trayectoria del ion. ^{[ 3 ] [ 33 ]}

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

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  Modelo de pico térmico. La trayectoria del ion corresponde al desorden congelado tras el enfriamiento rápido de la zona fundida alrededor de la trayectoria del ion. La temperatura se representa mediante colores. La trayectoria del ion es perpendicular al plano de la imagen.
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  Trayectoria de iones latentes en mica moscovita . Dependiendo del poder de frenado del ion proyectil, el ancho de la trayectoria oscila entre 4 y 10 nanómetros.
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  Simulación de dinámica molecular de una cascada de colisiones en oro.
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  Umbral de grabado de pistas : energía necesaria para el grabado selectivo. En cristales iónicos, el umbral aumenta con la conductividad térmica. Se incluye el metal amorfo FeBSiC para fines comparativos.

Las pistas de iones grabadas pueden ser replicadas por polímeros ^{[ 37 ]} o metales . ^{[ 12 ] [ 38 ]} La réplica y la plantilla pueden usarse como un compuesto . Una réplica puede separarse 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 puede activarse por un catalizador , por radiación ultravioleta o por calor . Las réplicas de metal pueden obtenerse por deposición química o por 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 capturan electrones y precipitan como una película metálica compacta. Durante la electrodeposición, los canales se llenan gradualmente de metal, y la longitud de los nanocables se controla mediante el tiempo de deposición. Una deposición rápida produce nanocables policristalinos, mientras que una deposición lenta produce nanocables monocristalinos. Se obtiene una réplica independiente retirando la plantilla tras 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 grabadas con trazas en múltiples ángulos. Se obtienen redes tridimensionales autoportantes con complejidad y conectividad entre cables ajustables. ^{[ 39 ]}

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

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

Microtecnología : Las herramientas mecánicas comunesdel macromundo se están complementando y, en algunas aplicaciones, reemplazando por haces de partículas . En este caso, haces de fotones y electrones modifican la solubilidad de polímeros sensibles a la radiación , denominados " resistentes ", 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 fabricados de esta manera son los circuitos integrados y los microsistemas . Actualmente, 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 estado fundido 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 trazas iónicas, y ahora son fabricados por varias empresas. ^{[ 41 ]} Beck y Schultz utilizaron membranas de mica con poros de trazas iónicas para determinar el mecanismo de difusión restringida 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 lo atraviesa. ^{[ 10 ]} Esta técnica se aplica al recuento y al dimensionamiento de glóbulos rojos individuales, bacterias y partículas virales.

Sensor de pH : Los canales cargados y llenos de un electrolito presentan una conductividad superficial , además de la conductividad volumétrica habitual del electrolito. Los iones adheridos a una superficie cargada atraen una nube de contraiones móviles . Los iones fijos y móviles forman una doble capa . En canales pequeños, la conductividad superficial es responsable de la mayor parte del transporte de carga. En estos canales, la conductividad superficial supera la conductividad volumétrica . Las cargas superficiales negativas pueden ser ocupadas por protones fuertemente unidos. A pH bajo (alta concentración de protones), la carga de la pared se neutraliza por completo. La conductividad superficial desaparece. Debido a la dependencia de la conductividad superficial con el 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 al de una válvula eléctrica. El poro presenta dos estados de conducción característicos: abierto y cerrado. Por encima de cierto voltaje, la válvula se abre. Por debajo de cierto voltaje, la válvula se cierra. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Canal termosensible : Se obtiene recubriendo un canal con un gel termosensible . ^{[ 47 ]}

Biosensor : La modificación química de la pared del canal altera su interacción con las partículas que lo atraviesan. Los 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 gran área. ^{[ 49 ]}

Multicapas magnéticas : Los nanocables formados por capas magnéticas y no magnéticas alternadas actúan como sensores magnéticos. Por 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-cobre con una alta proporción de cobalto. La conductividad eléctrica del nanocable 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 menor resistencia eléctrica. Este efecto se utiliza en los cabezales de lectura de los soportes de almacenamiento magnético (el "efecto GMR"). ^{[ 50 ]}

Espintrónica : La estructura de la válvula de espín consta de dos capas magnéticas de diferente espesor. La capa gruesa tiene mayor estabilidad magnética y se utiliza como polarizador. La capa delgada actúa como analizador. Dependiendo de su dirección de magnetización con respecto al polarizador (paralela o antiparalela), su conductividad es baja o alta, respectivamente. ^{[ 51 ]}

Texturas : Las texturas inclinadas con un recubrimiento hidrofóbico son a la vez superhidrofóbicas y anisotrópicas, ^{[ 18 ]} y muestran una dirección de transporte preferida. Se ha demostrado que este efecto convierte la vibración en traslación. ^{[ 52 ]}

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  Canal de tránsito de partículas . La caída de corriente transitoria es proporcional al volumen de la partícula.
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  Sensor de pH : El círculo móvil representa la sección transversal de un canal con carga negativa. Izquierda: A pH bajo, todas las cargas superficiales están ocupadas por protones (baja conductividad). Derecha: A pH alto, todas las cargas superficiales están disponibles (alta conductividad).
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  El poro asimétrico transmite los iones positivos preferentemente de derecha a izquierda.
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  Canal termosensible . El canal revestido de hidrogel se abre por encima y se cierra por debajo de la temperatura crítica del hidrogel.
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  Sensor bioespecífico . La resistencia eléctrica de un canal revestido con un reactivo inmunitario depende de la concentración de una molécula específica.
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  matriz de emisores de campo
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  Magnetosensor multicapa . Campo magnético bajo : orientación antiparalela y alta resistencia. Campo magnético alto : orientación paralela y baja resistencia.
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  Spin AnalyzerThe energy loss of spin-polarized electrons depends on the magnetic orientation of the analyzer. Left: polarizer (blue: spin-up). Right: analyzer (blue: spin-up; red: spin-down).
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  Tilted Track Texture with asymmetric transport properties.

• Contenido multimedia relacionado con Ion Track en Wikimedia Commons