Savietojamas neorganiskas, bioloģiskas un molekulāras nanokompontes bio un nanotehnoloģijām

Projekta mērķis bija, sadarbojoties LU ķīmiķiem, biologiem un fiziķiem, sākt praktiskākas dabas pētījumus par neorganisko, bioloģisko un molekulāro nanokomponešu savietojamību to izmantošanai bio, opto un nanotehnoloģijās, sākot no materiālu veidošanas, savstarpējo savietojamību līdz nanoierīču prototipu veidošanai. Projekta izpildē sadarbojās LU Ķīmiskās fizikas un Cietvielu fizikas institūti, Ķīmijas un Bioloģijas fakultātes. Darbā tika izmantota šo struktūrvienību, kā arī Mikroskopijas un nanotehnoloģiju centra aparatūra, kā arī tika veidotas jaunas iekārtas. Daļa no izmantotās aparatūras ir iegādātas par Eiropas struktūrfondu līdzekļiem. Projekta laikā tika paveikts sekojošais: 

1. Ieviest nanoporaino materiālu veidošanas metodikas un iekārtas.

1. attēls. Elektroķīmiskās šūnas nanoporaino
materiālu iegūšanai
2. attēls Nanoporaina AAO virsmas AFM attēls


Viens no plašāk pētītajiem nanoporainiem materiāliem ir anodizēts alumīnija oksīds (AAO). Poras ar diametru 20-150 nm veidojas alumīniju oksidējot elektroķīmiski atkarībā no procesa apstākļiem. 1. att. parādīta viena no elektroķīmiskajām šūnām nanoporaino materiālu iegūšanai un pildīšanai. Nanoporu parametri tika pētīti atkarībā no elektroķīmisko procesu apstākļiem. Poru diametrs, garums, barjerslāņa biezums tika kontrolēti ar atomspēku mikroskopu (AFM) (2. attēls), transmisijas un skenējošo elektronu mikroskopu (SEM), kuri atrodas LU mikroskopijas un nanotehnoloģiju centrā un Cietvielu fizikas institūtā. Veidotie nanoporainie materiāli kalpoja kā bāze citu projekta uzdevumu izpildei. Nanoporās tika audzēti nanovadi, veidoti kontakti starp nanovadiem un metāliem, nanovadiem un molekulāriem savienojumiem. 

2.    Izveidot metodikas un iekārtas nanovadu matricu veidošanai, iegūt ar nanovadiem pildītas matricas.

3. attēls Zelta nanovadu pēc AAO matricas
izšķīdināšanas elektronu mikroskopa attēls.
4. attēls. Nanoporās pildītu individuālu nanovadu
vadāmība mērījumi ar vadošu AFM


Kā pamatmateriāls porās tika audzēti zelta nanovadi, atsevišķiem eksperimentiem tika izmantoti nanoporainie materiāli, pildīti ar pusvadītāju un magnētiskajiem nanovadiem. Poru pildījums tika kontrolēts ar vairākām metodēm. Piemēram,  tika veikta atsevišķu nanovadu vizualizācija pēc pašas matricas izšķīdināšana skābēs vai sārmos. 3. attēlā redzami no matricas atbrīvotie zelta nanovadi. Atbrīvotie nanovadi veido kūļveida struktūras, kuras veidojas, atbrīvotajiem nanovadiem savstarpēji pievelkoties kapilāro spēku iedarbībā. Lai pārbaudītu vai nanovadi ir vadoši cauri visai matricai, tika izmantots vadošais AFM (skat, 4. attēlu), ar kura palīdzību iespējams kontrolēt katra nanovada vadāmību. Tika veikti atbrīvoto nanovadu mehānisko īpašību pētījumi, izmatojot izstrādāto iekārtu, kura ievietota transmisijas elektronu mikroskopā. 5. attēlā parādīts piemērs, kā mērītas nanovadu mehāniskās īpašības, nosakot rezonanses frekvenci. No matricas atbrīvotiem Ge nanovadiem Junga modulis ir mazāks par Junga moduli uz katalizatora audzētiem brīviem nanovadiem (attiecīgi 25 un 120 GPa). Tas var būt saistīts gan ar to, ka porās audzētie nanovadi var būt polikristāliski, gan arī ar to, ka AAO apvalks ap nanovadiem netiek pilnībā izšķīdināts, kas savukārt var būt saistīts ar nanovadu materiāla difūziju robežslānī paaugstinātā temperatūrā   

3. Manovadu savienojumi ar organiskas izcelsmes molekulām, kā arī ar metāliem. 

5. attēls Ge nanovadu rezonanses frekvences noteikšana
transmisijas elektronu mikroskopā
6.attēls Virsmas potenciāls AS-9 molekulu
monoslāņiem uz polikristāliskas Au kārtiņas (1)
un uz ar Au pildītām nanoporām (2)


Tika pārbaudītas kontaktu starp Ge nanovadiem un Pt un Sn elektrodiem īpašības. Tika izstrādāta metode nanovadu galu atsegšanai dažādu diametru un blīvumu Ge nanovadu matricām. Izmērītās voltampēru raksturlīknes liecina, ka Ge nanovadu īpatnējā pretestība ir 10-1000 reizes augstāka salīdzinājumā ar pamatvielas īpatnējo pretestību. Lielo īpatnējo pretestību var izskaidrot gan ar to, ka nanovadi ir ar defektiem, piemēram, ja nanovadi ir polikristāliski, gan arī gluži pretēji, ar to, ka porās audzētie nanovadi ir monokristāliski ar daudz mazāku defektu saturu salīdzinot ar makroskopisku ģermāniju. Tā noskaidrošanai nepieciešamas veikt nanovadu struktūras analīzi. 

LU CFI uz zelta nanovadiem tika izsēdināts azobenzola tiola atvasinājumsAS-9. Savienojums tika izvēlēts no azobenzola atvasinājumu grupas ar dažādu alkilķēdes garumu. Parādīts, ka ar 8 (CH2) grupām monoslāņos novēro vislielāko virsmas potenciāla maiņu azobenzola trans/cis fotoizomerizācijas rezultātā. Iegūti pirmie virsmas potenciāla rezultāti, kas parāda zelta klātbūtni porās. Ir jāņem vērā, ka Kelvina zondes elektroda diametrs ir 2mm, līdz ar to nav iespējams konstatēt individuālus zelta nanovadus, bet tikai to grupas. Kā parāda paraugu virsmas pētījumi, zelta nanovadi nav izvietoti regulāri porās, bet veido apgabalus ar lielāku vai mazāku Au nanodaļiņu blīvumu. Ir iegūtas pirmās virsmas potenciāla līknes paraugiem ar azobenzola atvasinājuma monoslāņiem, kas veidojas uz zelta nanodaļiņām (skat. 6.att. 2.līkne). Uz polikristāliskām Au kārtiņām molekulu sakārtojums dod daudz vienmērīgāku virsmas potenciāla līkni (skat. 6.att. 1.līkne). Daudz izteiktāka virsmas potenciāla līknes struktūra ir paraugiem, kur AS-9 molekulas ir tikai uz Au, kas ir izsēdināts nanoporās. Ir uzsākti virsmas potenciāla izmaiņu pētījumi, molekulas ierosinot trans un cis izomēru absorbcijas joslās. 

4. Nanokomponešu un to matricu praktiskas izmantošanas iespējas

Nomērīta fotovadāmība Ge nanovados anodizēta alumīnija oksīda matricā. Parādīts, ka šādas matricas var kalpot kā efektīvi gaismas un radiācijas detektori, jo parādīta praktiska iespēja reģistrēt gaismu no viena nanovada. Ņemot vērā, ka nanovadu pakojuma blīvums sastāda 108 -1011 nanovadi uz vienu cm2, būtiski var palielināties telpiskās izšķiršanas spēja salīdzinājumā ar šobrīd lietotajiem detektoriem.

Darba izpildē piedalījās jaunie zinātnieki Dr. J. Prikulis, K. Kundziņš, doktoranti U. Maļinovskis, B. Poļakovs, A. Pastare, I. Pastare, Ķīmijas un Fizikas un matemātikas fakultāšu un RTU studenti K. Didriksone, B. Redkins, P. Birjukovs, R. Dobulāns, A. Vembris, A. Tokmakovs, kā arī Rīgas 1. Valsts ģimnāzijas un Rīgas 10. vidusskolas skolnieki. 

Daļa no darba rezultātiem publicēti vairākos rakstos starptautiski citējamos žurnālos un ziņoti konferencēs, būs 5 referāti LU konferences ķīmijas, fizikas un bioloģijas sekcijās.

Izstrādāts viens kursa darbs (K. Didriksone), notiek 2 bakalaura darbu (P. Birjukovs, B. Redkins) izstrāde, izstrādāti 3 skolnieku zinātniskie darbi (E. Rieksts, J. Ancāne, A. Kobilecka, K. Erta), viena darba izstrāde turpinās (A. Egle).

Publikācijas: 

1. B. Polyakov, B. Daly, J. Prikulis, V. Lisauskas, B. Vengalis, J. D. Holmes, D. Erts. Photoconductivity Dynamics in Germanium Nanowire Arrays.  submitted 

2. D. Erts, B. Polyakov, B. Daly, M. A. Morris, S. Ellingboe, J. Boland, J. D. Holmes. High Density Germanium Nanowire Assemblies: Contact Challenges and Electrical Characterisation. J. Phys. Chem. B (in press) 

3. J. S. Kulkarni, O. Kazakova, D. Erts, M.A. Morris, M. T. Shaw, J. D. Holmes.  Structural and Magnetic Characterization of Ge0.99Mn0.01 Nanowire Arrays. Chemistry of Materials. J. Mater. Chem., 17, 3615-3619 (2005) 

4. O. Kazakova, D. Erts, T.A. Crowley, J.S. Kulkarni, J.D. Holmes. Temperature dependence of magnetization reversal in Co and Fe3O4 nanowire arrays.  J. Mag. Mag. Mater., 286, 171-176 (2005) 

5. I.Muzikante, E.Fonavs, L.Gerca, B.Stiller, L.Brehmer, E.Markava, D.Gustina, Optically induced switching of dicyclohexylamino substituted azobenzene derivatives in thin ordered films, SPIE Procedings, Vol. 5946, pp. 179-185, 2005