Combined micro-nanotechnology supported by local probe analytical techniques: from pattern formation toward applications  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
91261
Type K
Principal investigator Zolnai, Zsolt
Title in Hungarian Kombinált mikro-nanotechnológiai eljárások és ellenőrzésük lokális analitikai technikákkal: a mintázatképzéstől az alkalmazások felé
Title in English Combined micro-nanotechnology supported by local probe analytical techniques: from pattern formation toward applications
Keywords in Hungarian kombinált mikro-nanotechnológia, részecskék térben szelektív leválasztása, nanorészecske
Keywords in English combined micro-nanotechnology, precise placement of particles, nanoparticle
Discipline
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Participants Battistig, Gábor
Deák, András
Gergely-Fülöp, Eszter
Nagy, Norbert
Tóth, Attila Lajos
Zámbó, Dániel
Starting date 2014-09-01
Closing date 2017-08-31
Funding (in million HUF) 0.864
FTE (full time equivalent) 5.70
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 nano-tudományok eredményeként születő, nanorészecskéket tartalmazó rendszerek: plazmonikus eszközök, bioszenzorok, hibrid napelemek esetén alapvetően a határfelületeken zajló fizikai, kémiai folyamatok határozzák meg a nanorészecskék viselkedését. Technológiai szempontból fontos, hogy az egyes részecskéket célzottan tudjuk az eszköz megfelelő helyére juttatni, míg az alkalmazásoknál követelmény, hogy a lokális környezet szabályozása elkülönülten, az egyes részecskék szintjén, szub-mikronos skálán történjen. Így hozható létre nagy felületi eszközsűrűség kompakt adatfeldolgozó rendszerekben, vagy lab-on-a-chip struktúrákon. A jelen pályázatban célunk – korábbi mikro-nano megmunkálási tapasztalatainkra alapozva – olyan hierarchikusan rendezett felületi struktúrák létrehozása, amelyek alkalmasak a nanorészecskék irányított, térben szelektív megkötésére elektrosztatikus és kémiai kölcsönhatás útján. A mintázatképzés nanogömb litográfiával történik, amely – a szelektív kötőhelyek létrehozására alkalmazott korábbi módszerekkel szemben – gyors, olcsó, flexibilis, és egy lépésben makroszkopikus felületeken is működik. Esetünkben félvezetők (Si, SiC) és szigetelők (SiO2, Si3N4) felületi periodikus potenciál mintázatai biztosítják a szelektív kötőhelyeket, ahol a periodicitást a részecskeméret közelébe hangoljuk. A kölönböző alakú és méretű részecskék optikai és elektromos tulajdonságaiban (plazmonikus gerjesztés, statikus polarizáció) a kötőhelyek hatására bekövetkező változásokat követjük a lokális paraméterek (felületi potenciál, lokális kémiai környezet) függvényében. A pályázat alapvető célja a felvázolt koncepció alkalmazhatósági körének szisztematikus feltérképezése.

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.

Míg a tömbi anyagok robusztus top-down technológiákon (reziszt technikák, elektronsugaras litográfia) alapuló nano-léptékű megmunkálása nagy felületeken is reprodukálhatóan működik, addig a hibrid, nanorészecskéket tartalmazó anyagi rendszerek: plazmonikus eszközök, nano-bioérzékelők, hibrid napelemek, nem felejtő memória cellák esetén nem triviális, hogy az egyes részecskéket célzottan, a kívánt koncentrációban és elrendezésben az eszköz megfelelő helyére juttassuk. Ehhez alkalmas bottom-up módszerek szükségesek, amelyek általában kis felületen, kis hozammal működnek. Jelen pályázatban a korábbi tapasztalatainkra alapozva a makroszkopikus felületeken is működő ionsugaras nanogömb litográfia és a kolloid kémiai összekapcsolásával hozunk létre rendezett mintázatokat különböző jellegű, az alkalmazások szempontjából fontos félvezetők és dielektrikumok felületén. A mintázatok által kijelölt helyeken lehetővé válik az arany és arany-szilika részecskék szelektív megkötése elektrosztatikus és kémiai kölcsönhatáson keresztül. Eközben vizsgáljuk a részecskék optikai, elektromos tulajdonságait, mivel a konkrét szenzorikai alkalmazásoknál fontos kérdés a szubsztrát jelenlétének a plazmon rezonancia eltolódására, kiszélesedésére gyakorolt hatása. A projekt alapvető célkitűzése egy nagy felületeken is használható mikro-nanotechnológiai eljárás megvalósítása, amellyel pl. rendezetten helyezhetők le katalizátor részecskék nanoszálak növesztéséhez, vagy a részecskéket nagy felületi sűrűségben tartalmazó szenzor struktúrákhoz, lab-on-a-chip alkalmazásokhoz.

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 projektben elért eredmények minden olyan, modern technológiával előállított eszköz esetén hasznosulnak, amely - azok különleges optikai, elektromos, felületi tulajdonságai miatt - nanorészecskéket tartalmaz, és ahol a működés szempontjából egyaránt fontos követelmény a részecskék nagy felületi sűrűségben való jelenléte és térben rendezett elhelyezésük. Így a felhasználások köre széles, a nano-bioérzékelőktől és markerektől a napelem technológián át az integrált elektronikáig és fotonikáig. Az eredmények hasznosulhatnak a gyógyászatban (pl. diagnosztikában), a mindennapi életben használatos elektronikai eszközökben és az energetikában. Ugyanakkor a technológiai szempontból hasznos eredmények mellett mélyebb betekintést nyerünk a részecske-szilárdtest kölcsönhatások szabályozhatóságának témakörébe. A projekt segítséget nyújt külföldi csoportokkal való kapcsolattartásban, elsősorban a megfelelő elméleti modellek alkalmazása terén. A projekt két fiatal résztvevője mellett csoportunk munkatársai szorosan együttműködnek egyetemekkel és doktori iskolákkal, így az eredmények az oktatásban is hasznosulhatnak.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A javasolt kutatási program célja olyan módszer kidolgozása, amely alkalmas néhány nanométer átmérőjű részecskék irányított, egy felületen előre kijelölt, a részecskékhez hasonlóan kicsiny méretű tartományokban történő elhelyezésére, és ezzel szabályos felületi részecske mintázatok kialakítására. Az általunk ajánlott eljárás a korábbi módszerekkel szemben gyors, olcsó, flexibilis, és segítségével egy lépésben nagy felületek is megmunkálhatók. A projekt eredményei minden olyan, modern technológiával előállított eszköz esetén hasznosulnak, amely - azok különleges optikai, elektromos, felületi tulajdonságai miatt - nanorészecskéket tartalmaz, és ahol a működés szempontjából egyaránt fontos követelmény a részecskék nagy felületi sűrűségben való jelenléte és rendezett térbeli elhelyezésük. Így a felhasználások köre széles, a nano-bioérzékelőktől a napelem technológián át az integrált elektronikáig és fotonikáig. Az eredmények felhasználhatók a gyógyászatban (pl. diagnosztikában), a mindennapi életben megjelenő elektronikai eszközökben, az energetikában. A projekt lehetőséget nyújt külföldi csoportokkal való aktív kapcsolattartásra, elsősorban a megfelelő elméleti modellek alkalmazása terén. A projekt két fiatal résztvevője mellett csoportunk munkatársai szorosan együttműködnek egyetemekkel és doktori iskolákkal, így az eredmények az oktatásban is hasznosulhatnak.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

In the new generation of nanomaterials for plasmonics, nano-biosensing, or hybrid solar cells, containing nanoparticles, the key processes occur at the interfaces, and the local environment has great influence on the behavior of particles. Practically, there is a strong demand to implement precise placement of nanoparticles to selected points of the device and in applications the control of the local environment is required on the length scale of single nanoparticles during manipulation or sensing. This is the desirable way toward compact data processing with high surface density packaging of devices or lab-on-a-chip structures. In this project, based on our previous work in micro-nanofabrication, efforts will be made to realize ordered nanopatterns with selective adsorption places for precise placement of gold and gold-silica nanoparticles on surfaces. Patterning will be performed with nanosphere lithography (NSL), a fast, flexible and cheap method, compared to other techniques proposed so far for particles guided placement. Moreover, NSL in one step works on macroscopically large areas. Semiconductor (Si, SiC) and dielectric (SiO2, Si3N4) substrates with irradiation-induced surface potential patterns will provide the selective adsorption sites for electrostatic force attraction. The length scale of the periodic surface potential is fitted to the particle size. The optical and electrical properties (plasmon resonance, static polarization) of particles with well defined shape and size, will be coupled to and manipulated by their controlled local environment (surface potential, local chemistry). The project focuses on the systematic investigation of the proposed concept.

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.

Nowadays the large area nanofabrication of bulk material become available with robust top-down technology steps like resist techniques and electron beam lithography. Contrarily, for hybrid structures containing nanoparticles, e.g. plasmonic devices, nano-bio sensors, hybrid solar cells, non-volatile memory cells, the precise placement of particles to selected points of the device with appropriate concentration and spatial ordering is complicated task. Reported bottom-up approaches usually work on small areas compared to wafer scale and possess low throughput. In this project, based on our previous work in micro-nanofabrication, efforts will be made to realize ordered surface nanopatterns with selective adsorption places for precise placement of nanoparticles. We apply the well established nanosphere lithography technique combined with colloid chemistry for technologically important semiconductor and dielectric surfaces to achieve the precise guided placement of gold and gold-silica particles onto surfaces via controlled electrostatic and chemical interactions. The optical and electrical properties of the deposed particles and their ensembles will be investigated since the effect of the local physical-chemical environment on the position and width of plasmon resonances is crucial in specific sensor applications. The aim of the project is to develop a nanotechnology tool for large area ordered nanopatterning of surfaces with small particles. In this way several applications become available, e.g., the gold catalyst for nanowire growth can be placed directly to a desired position, as well as an array of gold nanoparticles for plasmonic or lab-on-a-chip applications.

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 successfully accomplished project provides results which can be utilized in any device structure containing nanoparticles (due to their special optical, electrical, or surface properties) in ordered arrays of large surface areal density. Such applications are nano-bio sensors and markers, solar cell technology, integrated electronics and photonics. Accordingly, the results have relevant applications in medicine (diagnostics), electronic tools used in everyday life and energy conversion. In addition the project contributes to the understanding of nanoparticle-matter interactions and its controllability. According to the research plan our group will cooperate with international partners to find appropriate theoretical models for the interpretation of the experiments. Two young colleagues join the project and the other participants have active contact to university groups and doctoral schools, therefore our results can be utilized in education.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

In this project proposal efforts will be made to realize the guided placement of individual nanometer size particles and their ensembles to precisely selected areas of a surface. Accordingly, ordered surface patterns of the particles can be realized. The solution offered in our project is a fast, flexible and cheap method, compared to other techniques proposed so far for the guided precise placement of particles. Moreover, our method in one step works on macroscopically large surfaces.
The proposed project provides results which can be utilized in any device structure containing nanoparticles (due to their special optical, electrical, or surface properties) in ordered arrays of large surface areal density. Such applications are nano-bio sensorics, solar cell technology, integrated electronics and photonics. Accordingly, the results can be utilized in medicine (diagnostics), energy conversion systems, and electronic tools used in everyday life and in specific apllications. According to the research plan our group will cooperate with international partners to find appropriate theoretical models for the interpretation of the experiments. Two young colleagues join the project and the other participants have active contact to university groups and doctoral schools, therefore our results can be utilized in education.




Back »