 |
Ion beams in materials modification and micro- and nanofabrication
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121076 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Szilasi, Szabolcs Zoltán |
| Title in Hungarian |
Ionnyalábok az anyagmódosításban és a mikro- és nanomegmunkálásban |
| Title in English |
Ion beams in materials modification and micro- and nanofabrication |
| Keywords in Hungarian |
ionnyaláb, besugárzás, polimer, mikrostruktúrák, nanostruktúrák, anyagmódosítás |
| Keywords in English |
ion beams, irradiation, polymer, microstructures, nanostructres, materials modification |
| Discipline |
| Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences) | 70 % | | Ortelius classification: Materials technology | | Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 30 % |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Heritage science research group (HUN-REN Institute for Nuclear Research) |
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2018-01-31 |
| Funding (in million HUF) |
10.058 |
| FTE (full time equivalent) |
0.82 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázatban tervezett munka két részből áll: (a) mikro-, és nanomegmunkálás protonnyalábos írás technikával és (b) ionbesugárzással történő anyagmódosítás és az ennek hatására különböző mintákban kialakult fizikai és kémiai változások vizsgálata.
A protonnyalábos írás (PBW) egy újszerű, három dimenziós lithográfiás módszer, amellyel mikro-, és nanostruktúrák hozhatók létre olyan módon, hogy egy kisméretűre fókuszált néhány MeV energiájú ionnyalábot pásztázunk egy megfelelő rezisztminta felületén, majd ezt követően kimaratjuk az elsődleges roncsolási képet. A mikro-, és nanomegmunkálási project célja különféle mikrofluidikai rendszerek (például mikroreaktorok, keverők, szelepek, stb.) létrehozása és tesztelése különböző anyagokkal. A tervezett struktúrákat végeselemes módszerrel (VEM) végzett szimulációkkal fogjuk optimizálni.
Az anyagmódosítás témában végzett vizsgálatok célja, hogy jobban megismerjük, hogyan hatnak kölcsön a nagy energiájú ionok különböző céltárgyak anyagával, mik a keletkező végtermékek és milyen folyamatokon keresztül történik az anyag módosulása. Azt reméljük, hogy kutatásaink új eredményekkel gazdagítják ismereteinket az ion-molekula kölcsönhatásokkal és az azokat követő kémiai reakciókkal kapcsolatban. Néhány kérdés, amelyekre válaszokat keresünk: Hogyan függenek az egyes jelenségek a kísérleti paraméterektől? Pontosan milyen mechanizmusok játszódnak le az ionok különböző céltárgyak molekuláival történő ütközése után? Mik a különböző folyamatok jellemző időtartama?
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Mikrofluidikai eszközöket többféle módszerrel is lehetséges létrehozni. A protonnyalábos írás technikával annak előnyös tulajdonságai miatt a kereskedelemben kaphatóaknál jobb minőségű és kisebb méretű mikrocsatornák hozhatók létre, melyeknek köszönhetően a kémiai kísérletek újabb tudományos eredményekre is vezethetnek. Kutatásunk célzottan vizsgálja, hogy különböző mikrocsatorna rendszerek esetében milyen az az optimális design, amely mellett a legjobb működés érhető el, illetve hogy milyen módon tudjuk hatékonyan növelni a reaktív felületet, a reakciók hatásfokát és a reakciósebességet.
Az anyagmódosítási vizsgálatok keretében célunk annak tisztázása, hogy milyen folyamatokon keresztül történnek a nagy energiájú ionokkal történő besugárzás hatására kialakult fizikai és kémiai változások. Vizsgálatunk tárgyai többek között a következők: (a) hogyan függenek a besugárzás hatására kialakult változások a kísérleti paraméterektől, (b) pontosan mik azok a mechanizmusok, amelyek az ionok különböző céltárgyak (pl. folyadékok, polimerek, stb.) molekuláival való ütközése után következnek be, (c) hogy az egyes folyamatok milyen időskálán játszódnak le.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A protonnyalábos írás (PBW) technikának számos egyedi tulajdonsággal rendelkezik más mikromegmunkálásos módszerekhez képest. Ezek közül az egyik legfontosabb, hogy az ionok behatolási mélysége azok energiájával jól beállítható, így a megmunkált térfogat finoman változtatható és jól meghatározott. Egy másik nagy előny más technikákhoz képest, hogy a protonok csak kis mértékű szóródást szenvednek az anyagban, így nagy oldalarányú struktúrák létrehozása is lehetséges. Pásztázó ion nanoszondával Magyarországon egyedüliként az MTA Atomki rendelkezik. Ez tulajdonképpen egy ritka berendezés, a világon csak néhány létezik belőle. A létrehozott kísérleti mikrofluidikai struktúrák olyan mikro- és nanomegmunkált komponenseket fognak tartalmazni, amiket más lithográfiás technikával nagyon nehéz vagy éppen lehetetlen létrehozni lab-on-a-chip eszközök belsejében. A gyakorlatba ültetett új ötletek révén közelebb kerülhetünk sokoldalúbb, jobb hatásfokú és nagyobb megbízhatóságú lab-on-a-chip eszközök megvalósításához!
Célkitűzéseink szerint a vizsgálataink új információkkal fognak szolgálni az ion-molekula kölcsönhatásokról és az azokat követő kémiai reakciókról. Az alapvető jelenségek kutatásán kívül hangsúlyt helyezünk az alkalmazásokra is, mivel az ion-anyag kölcsönhatás fontos szerepet játszik számos gyakorlati alkalmazásban. Kutatásaink egyik célja továbbá, hogy kapcsolatokat találjunk az ionok behatolása után lejátszódó fizikai és kémiai folyamatok között. A világon számos ionnyaláb laboratórium létezik, közöttük azonban csak kevésnél van kialakítva kihozott nyalábos besugárzási lehetőség. Magyarországon az MTA Atomki az egyetlen ilyen lehetőséggel rendelkező intézet. Kísérleteink során nem csak vákuumban, hanem levegőn, kihozott nyalábbal is tervezünk besugárzásokat végezni.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A tervezett kutatási munka két fő részből áll: (a) mikro-, és nanomegmunkálás kicsiny méretűre fókuszált protonnyalábbal (b) anyagmódosítás ionokkal történő besugárzással, majd ezt követően a besugárzott anyagban kialakult fizikai és kémiai változások vizsgálata.
A mikro-, és nanomegmunkálást úgynevezett protonnyalábos írás (PBW) technikával fogjuk végezni. A PBW egy újszerű három dimenziós lithográfiás technika, amely során egy kicsiny méretűre fókuszált gyors ionnyaláb pásztázásával egy arra érzékeny anyagban mikro-, és nanostruktúrákat hozhatunk létre. Az anyagba behatoló ionok pályája mentén fizikai és kémiai változások történek a céltárgyban. Ilyen módon az anyagban egy látens képet hozunk létre, amit a megfelelő módszerrel előhívva mikro-, és nanostruktúrákat alakíthatunk ki. Ebben a projektben PBW technikával fogunk létrehozni újszerű mikrocsatorna rendszereket, mikrofluidikai eszközök prototípusait, majd pedig ezeket az eszközöket különböző kémiai reakciókkal fogjuk tesztelni.
Szerves és szervetlen anyagokban a gamma- és röntgensugárzás, valamint az elektron besugárzás hatására kialakult fizikai és kémiai változások vizsgálata már hosszú múltra tekint vissza, az ionokkal történő besugárzás által kiváltott kémiai folyamatok felderítése viszont egy eddig sokkal kevésbé vizsgált terület. Munkánk során tervezzük tanulmányozni az ion-anyag kölcsönhatásokat, a besugárzott anyagokban kialakult fizikai és kémiai változásokat, illetve azok kapcsolatát. Ezen folyamatok részletei sok esetben annak ellenére is szinte felderítetlenek, hogy nagy jelentőséggel bírnak az orvostudományban ( pl. protonnyaláb terápia), az anyagtudományban vagy akár az űrkutatásban.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The proposed work consists of two major parts: (a) micro-, and nanofabrication using proton beam writing technique and (b) materials modification by ion irradiation and analysis of the changes to the chemical and physical properties of various target materials.
Proton beam writing (PBW) is a novel 3-dimensional lithographic method, whereby micro- and nanostructures can be fabricated by scanning a fine focused few MeV energy ion beam over a suitable resist material, and subsequently etch the primary defect image. The goal of the micro-, and nanofabrication project is the creation of various microfluidic systems, such as microreactors, mixers, valves and other microfluidic devices and test them with different substances. The design of these structures will be supported by finite element method (FEM) calculations.
The goal of the materials modification studies is that we continue to reveal the real nature of how energetic ions interact with various target materials, what the end-products are and through what processes the modification of these materials happens. We expect that our study will provide new information about the relation between ion-molecule interactions and the subsequent chemical reactions. Some questions that we are looking answers for: How do the effects of ion irradiation depend on the experimental parameters? What are the specific mechanisms taking place following the collisions of ions with molecules of various target materials? What are the characteristic times of the different processes?
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
There are a few methods to produce microfluidic devices. The PBW method, due to its characteristic parameters, is able to provide better quality, smaller size microchannels than the commercially available ones. Thus the chemical experiments can lead to new scientific results. Some of the basic questions are what the optimal microfluidic design for various microchannel structures is to achieve the best performance; how to efficiently increase the reactive surface, the reaction efficiency and reaction rate.
In case of materials modification, our aim is to clarify through what processes the physical and chemical changes takes place due to energetic ion irradiation. We will investigate how the effects of ion irradiation depend on the experimental parameters, what the specific mechanisms are that take place following the collisions of ions with molecules of various target materials such as liquids, polymers and other samples, and what the characteristic times of the different processes are.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The PBW method has several unique features compared to other micromachining methods. One of them is that the ions have a well-defined penetration depth depending on their energy, thus the machined volume can be adjusted and precisely defined. Furthermore, the protons suffer only very small scattering in material, thus sharp, high aspect ratio microstructures can be produced. The new scanning ion nanoprobe of MTA Atomki is a rare instrument, only few exist around in the world and the one at MTA Atomki is the only one in Hungary. This instrument ensures exceptionally good spatial resolution compared to other ion microprobes around the world. The created experimental microfluidic structures will contain micro- and nanofabricated components that are very difficult, if not impossible, to create with other lithography methods inside microfluidic chips. These new features may bring us closer to build more versatile lab-on-a-chip devices with better performance and higher reliability.
We expect that our studies will provide new information about the relation between ion-molecule interactions and the subsequent chemical reactions. Besides the fundamental aspects of this research, the practical values are also important, since ion-matter interaction plays an important role in many applications. Our study aims to connect the physical and chemical processes that occur right after an ion penetrates into the material. Although there are several ion beam laboratories in the world, the external beam facilities are less prevalent (we are unique in this respect in Hungary). We will use the external beam capability also to carry out ion irradiations on air also not only in vacuum environment.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The proposed project consists of two major parts: (a) micro-, and nanofabrication using a fine focused proton beam (b) materials modification by ion irradiation and subsequent analysis of the changes to the chemical and physical properties of the irradiated materials.
The micro-, and nanofabrication will be carried out by the so called proton beam writing (PBW) technique. The PBW is a novel 3-dimensional lithographic method, whereby micro- and nanostructures can be fabricated by scanning a fine focused fast ion beam over a sensitive material. Along the path of the ion, beam physical and chemical changes occur in the material. This way a latent image is created which can be developed (etched) with the appropriate method to make the desired micro or nanostructures. In this project we will use this technique to create novel, prototype microstructures of microchannels, microfluidic devices and we will be testing these devices with specific chemical reactions.
The physical and chemical changes of organic and inorganic materials due to gamma ray, X-ray or e-beam irradiations has been investigated for a long time, while ion irradiation induced chemical processes were much less extensively studied. In this project, we plan to study ion-matter interactions, the physical changes of the irradiated materials, the subsequent chemical reactions and the connections between them. The details of these processes are almost undiscovered yet, despite of their relevance in space or medical sciences (e.g., ion beam therapy) or in materials science.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
