Savietojamas neorganiskas, bioloģiskas un molekulāras nanokompontes bio un nanotehnoloģijām

Vadītājs: D. Erts

Projekta mērķis bija, sadarbojoties LU ķīmiķiem, biologiem un fiziķiem, sākt praktiskas dabas pētījumus par neorganisko, bioloģisko un molekulāro nanokomponešu savietojamību to izmantošanai bio, opto un nanotehnoloģijās, sākot no materiālu veidošanas, savstarpējās savietojamības līdz nanoierīču prototipu veidošanas pētījumiem. Projekta izpildē sadarbojās LU Ķīmiskāsun Cietvielu fizikas institūti, Ķīmijas un Bioloģijas fakultātes. Darbā tika izmantota šo struktūrvienību, kā arī LU Mikroskopijas un nanotehnoloģiju centra aparatūra, kā arī tika veidotas jaunas iekārtas. Daļa no izmantotās aparatūras ir iegādātas par Eiropas struktūrfondu līdzekļiem. Tā kā piešķirtais finansējums bija 5 reizes mazāks nekā pieprasītais, projekta uzdevumi tika pildīti sadarbojoties ar citiem LZP un ERAF projektiem. Projekta laikā tika paveikts sekojošais:

1. Izstrādāt iekārtas spēka mijiedarbību pētīšanai nanokontaktos  in situ.

Viena no efektīvākajām ierīcēm nanokontaktu pētīšanai ir ar transmisijas elektronu mikroskopu (TEM) savietojamais atomspēku mikroskops (AFM) strādājošs oscilējošā režīmā. Šis mikroskops tiks izmantots spēku mijiedarbības in situ raksturošanai starp nanoelementiem. Iekārtas principiāli ir izveidota un ir notikusi tās darbības pārbaude mērot berzes spēka mijiedarbības līknes pie lielām (ap 100 nm) oscilāciju amplitūdām (skat. Piemēru 1. attēlā). Oscilāciju amplitūdas un fāzes izmaiņu atkarībā no attāluma no parauga virsmas tuvinot un attālinot oscilējošo AFM adatu ir parādītas 2. attēlā. Turpmāk  nepieciešams veikt mērījumus pie mazām (ap nanometru) oscilēšanas amplitūdām, kuru realizēšanai jāveic iekārtas papildus uzlabojumi un pārbaudes.

1. attēls  Bezkontkata atomspēku mikroskops savietojams ar transmisijas elektronu mikroskopu:  iekārtas shēma un AFM adatas un virsmas TEM attēls bez un oscilējošā režīmā

Nanometru izmēru platformas ir paredzētas regulāru molekulāro un bioloģisko savienojumu domēnu veidošanai uz virsmām. Tiks pētīta  šo savienojumu monoslāņu veidošanās iespējas, kā arī elektronu pārneses mehānismi. Kā  platformas molekulāro savienojumu domēnu veidošanai mūsu gadījumā tiek izmantotas zelta nanovadu regulāras struktūras, kuras veidojas veidojot zelta elektroķīmiski anodizēta alumīnija oksīda nanoporās. Tika tālāk attīstītas metodikas zelta nanovadu veidošanai, izmantojot zelta nogulsnēšanu no zeltskābes šķīduma (nanovadu sakārtojumu šķērsgriezumu skat. 3. attēlā). Šīs metodes dod iespēju atteikties no parastajās zelta izgulsnēšanas metodēs izmantojamajiem bīstamajiem cianīdu šķīdumiem. Molekulāro savienojumu pētīšanai uz virsmas tika attīstīta metode AFM pētījumiem šķidrumos.

DNS molekulas tie uzskatītas par perspektīvu materiālu molekulārajā elektronikā. Taču    joprojām nav viennozīmīgi skaidrs vai DNS molekula ir vadoša, nevadoša vai arī tai piemīt pusvadītāja īpašības. Un, ja tā ir vadoša, tad vai vadāmība saistīta ar adsorbēto ūdeni un joniem uz DNS molekulas virsmas, vai arī notiek pa π-karkasu.

Individuālu DNS molekulu vadāmība tika pētīta  ar vadošo atomspēku mikroskopu pētot AFM adatas un  telpiski atdalītas DNS molekulu (skat 4. attēlu) mijiedarbību. Attēlā parādītas arī mērījumu strāvas un mijiedarbības spēka līknes tuvinot un attālinot AFM adatu DNS molekulām pie sprieguma 0.2 V. Kā redzams, vadāmība nav novērojama vienlaicīgi ar mehānisko kontaktu starp DNS molekulu un AFM adatu. Vadāmība tiek novērota pēc tam kad AFM adata pēc kontakta ir pārvietojusies par attālumu, kurš ir aptuveni līdzvērtīgs DNS molekulas garumam. Pie spriegumiem 1 V un lielākiem vadāmība novērojama vienlaicīgi ar mehāniskā kontakta veidošanos.

Līdz ar to DNS molekulu normālos apstākļos nevar uzskatīt ne par līdzīgu metāliem, ne dielektriķiem. DNS molekulas pretestība pēc vērtībām ir tuva neleģētu pusvadītāju pretestībai. Šie pētījumi ir svarīgi lai, piemēram,  novērtētu DNS molekulu kā potenciālu savienojošo elektrisko vadu starp dažādiem nanoelementiem novietotiem dažādos blokos, izmatojot DNS molekulas pašorganizēšanās īpašības.

4. Izpētīt un atrast optimālo nanokontaktus ar Si un citiem nanovadiem matricā

Darbā tika optimizēti nanokontakti ar pusvadītāju nanovadiem izmantojot kā elektrodus zelta un platīna kontaktus. Kontaktu īpašības tika uzlabotas veicot anodizētā alumīnija oksīda daļēju kodināšanu, atsedzot lielāku nanovadu  laukumu. Porās audzētu individuālu pusvadītāju nanovadu vadāmības karte redzama 5. attēls.

  5. attēls. Pusvadītāju nanovadu, audzētu anodizēta alumīnija oksīda matricā, vadāmība mērīta ar vadošo atomspēku mikroskopu.  

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