イオントラック

イオントラックは、高速の重イオンが固体に侵入することによって生じる損傷痕であり、さまざまな結晶性、ガラス状、および/またはポリマー固体において化学エッチングを行うのに十分な連続性を持つ場合がある。^{[ 1 ] [ 2 ]}これらは直径数ナノメートルの円筒状の損傷領域と関連しており^{[ 3 ] [ 4 ]} 、ラザフォード後方散乱分光法（RBS）、透過型電子顕微鏡（TEM）、小角中性子散乱（SANS）、小角X線散乱（SAXS）、またはガス透過法によって研究することができる。^{[ 5 ]}

イオントラック技術は、マイクロテクノロジーおよびナノテクノロジーにおけるイオントラックの製造と応用を扱います。^{[ 6 ]}イオントラックは、多くの絶縁固体に選択的にエッチングすることができ、直径8ナノメートルまでの円錐形または円筒形になります。^{[ 7 ]}エッチングされたトラック円筒は、フィルターとして^{[ 8 ] [ 9 ]} 、コールターカウンターのマイクロチャネルとして^{[ 10 ]}、単分子層で修飾したり^{[ 11 ]} 、電気めっきで充填したりできます。^{[ 12 ] [ 13 ]}

イオントラック技術は、従来のナノリソグラフィーでは対応できない特定のニッチ分野を埋めるために開発されました。例えば、以下のような分野が挙げられます。

• 耐放射線性鉱物、ガラス、ポリマーの直接成形^{[ 2 ]}
• 解像度限界が8ナノメートルまでの細長い構造の生成^{[ 7 ]}
• 現像プロセスなしで薄膜に直接穴を生成する^{[ 14 ]}
• イオンの飛程によって構造の深さを定義するのではなく、ターゲットの厚さによって定義する^{[ 15 ] [ 16 ]}
• アスペクト比（奥行き÷幅）が最大10⁴の^構造を生成する。^{[ 2 ]}
• 硬質材料と柔軟材料を所定の切削角度で成形する^{[ 17 ]}
• 定義された傾斜角を持つ整列テクスチャの領域を探求する^{[ 18 ]}
• 部分的に重なり合う単一のトラックからなるランダムなパターンの生成^{[ 19 ]}
• 多数の個々の単一トラック構造の生成^{[ 20 ]}
• 個々の単一トラックからなる目的のパターンの生成^{[ 21 ]}

イオントラック記録材料のクラスは、以下の特性によって特徴付けられます。^{[ 2 ]}

• 高い均質性：元の材料の局所的な密度変動は、イオントラックコアの密度不足に比べて小さくなければなりません。ポリカーボネートやポリフッ化ビニリデンなどの光学的に透明な材料はこの特性を備えています。ポリテトラフルオロエチレンなどの粒状ポリマーはこの特性を持ちません。
• 高い電気抵抗：非導電性の誘電体鉱物、ガラス、ポリマーはこの性質を持ちますが、高導電性の金属や合金はこの性質を持ちません。金属では、熱拡散率が電気伝導率と連動しているため、熱スパイクの発生が抑制されます。
• 高い放射線感受性：ポリマーは、ガラスやイオン結晶に比べて高い放射線感受性を持つ。ポリマーにおける放射線効果は、二次電子カスケードによって引き起こされ、鎖切断（トラックコアで支配的）と架橋（トラックハローで支配的）の両方を誘発する。
• 低い原子移動度：選択的イオントラックエッチングでは、潜伏イオントラックと元の材料との密度コントラストが高い必要があります。このコントラストは、原子移動度に応じて拡散によって薄れていきます。イオントラックはアニール処理が可能です。ガラス中では、イオン結晶に比べて消去速度が速くなります。

現在、いくつかの種類の高速重イオン発生装置と照射方式が使用されている。

高速の重イオンが固体に侵入すると、数ナノメートルの直径の円筒内に閉じ込められた不規則で変質した物質の痕跡が残ります。重い入射イオンと軽い標的電子間のエネルギー伝達は、二体衝突で起こります。叩き落とされた一次電子は帯電領域を残し、エネルギーが減少していく電子の数が増加していく二次電子衝突カスケードを引き起こします。この電子衝突カスケードは、イオン化が不可能になったときに停止します。残りのエネルギーは原子の励起と振動につながり、（熱）を生成します。陽子と電子の質量比が大きいため、入射イオンのエネルギーは徐々に減少し、入射イオンの経路は直線になります。^{[ 29 ]}伝達されたエネルギーのごく一部が、固体中にイオントラックとして残ります。イオントラックの直径は、物質の放射線感度の増加とともに大きくなります。イオントラックの形成を説明するためにいくつかのモデルが使用されています。

• イオン爆発スパイクモデル^{[ 30 ]}によると、一次イオン化は原子衝突カスケード^{[ 31 ]}を引き起こし、イオン軌道の周囲に無秩序な領域が生じる。

• 電子衝突カスケードモデルによれば、二次電子は空間的に限定された電子照射と同様に、材料に放射線効果を誘発する。^{[ 32 ]}電子衝突カスケードモデルは特にポリマーに適している。

• 熱スパイクモデルによれば、電子衝突カスケードが入射イオンと標的原子核間のエネルギー伝達を担っている。温度が標的物質の融点を超えると、液体が形成される。急速な冷却により、密度が低下した非晶質状態が残る。その無秩序さがイオントラックに対応する。^{[ 3 ] [ 33 ]}

熱スパイクモデルは、様々な材料の放射線感受性が、その熱伝導率と融点に依存することを示唆している。

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  熱スパイクモデルイオントラックは、イオン軌道周辺の溶融領域が急速に冷却された後に発生する凍結した乱れに対応します。温度は色で表されます。イオンの経路は画像平面に垂直です。
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  白雲母中の潜在イオン飛跡。飛跡の幅は、入射イオンの阻止能に応じて4～10ナノメートルとなる。
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  金における衝突カスケードの分子動力学シミュレーション。
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  トラックエッチング閾値：選択的エッチングに必要なエネルギー入力。イオン結晶の場合、閾値は熱伝導率とともに増加する。比較のために非晶質金属FeBSiCも併せて示す。

エッチングされたイオントラックは、ポリマー^{[ 37 ]}または金属^{[ 12 ] [ 38 ]}によって複製できます。レプリカとテンプレートは複合材料として使用できます。レプリカは、機械的または化学的にテンプレートから分離できます。ポリマーレプリカは、エッチングされたトラックにポリマーの液体前駆体を充填して硬化させることによって得られます。硬化は、触媒、紫外線、または熱によって活性化できます。金属レプリカは、無電解めっきまたは電気めっきのいずれかによって得られます。貫通孔の複製の場合、陰極膜が膜の片側に堆積され、膜は金属塩溶液に浸されます。陰極膜は、膜の反対側に配置された陽極に対して負に帯電しています。正の金属イオンは陰極に向かって引き寄せられ、そこで電子を捕らえて緻密な金属膜として析出します。電気めっき中、チャネルは徐々に金属で満たされ、ナノワイヤの長さは堆積時間によって制御されます。急速な成膜では多結晶ワイヤが得られ、緩やかな成膜では単結晶ワイヤが得られる。膜の陽極側に支持膜を成膜した後、テンプレートを除去することで自立型のレプリカが得られる。

相互貫入ワイヤネットワークは、多角度トラックエッチング膜への電気めっきによって作製される。調整可能な複雑さとワイヤ間の接続性を備えた自立型三次元ネットワークが得られる。^{[ 39 ]}

電気めっき中に極性を交互に切り替えることで、セグメント化されたナノワイヤが作製される。 ^{[ 40 ]}セグメントの長さはパルスの持続時間によって調整される。このようにして、電気的、熱的、光学的特性を調整することができる。

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  PCでエッチングされたイオントラックの自立型金属レプリカ
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  相互貫入型ワイヤーネットワーク
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  分割された白金ナノワイヤーの束

マイクロテクノロジー：マクロ世界の一般的な機械的ツールは、粒子ビームによって補完され、補完され、一部の用途では置き換えられています。ここでは、光子と電子のビームが、放射線に敏感なポリマー、いわゆる「レジスト」の溶解性を変化させ、同時にマスキングによって選択された領域が放射線、化学攻撃、原子衝突による侵食から保護されます。このようにして製造される典型的な製品は、集積回路とマイクロシステムです。現在、マイクロテクノロジーの分野はナノテクノロジーへと拡大しています。マイクロファブリケーションの最近の分野は、個々のイオンの操作に基づいています。

地質学：イオントラックは鉱物中に数百万年も変化せずに残るため有用です。その密度から鉱物が溶融状態から固化した時期に関する情報が得られ、核分裂トラック年代測定における地質時計として利用されます。

フィルター：ホモポーラスフィルターはイオントラック技術の最初の応用例の一つであり^{[ 8 ]}、現在では複数の企業によって製造されている^{[ 41 ]} 。イオントラック孔を有するマイカ膜は、ベックとシュルツによってナノポアにおける拡散阻害のメカニズムを決定するために使用された^{[ 42 ] [ 43 ]。}

マイクロ粒子とナノ粒子の分類：電解質で満たされたチャネルの抵抗は、そこを通過する粒子の体積に依存します。^{[ 10 ]}この技術は、個々の赤血球、細菌、ウイルス粒子の計数とサイズ測定に使用されます。

pHセンサー：電解質で満たされた帯電チャネルは、通常の体積伝導率に加えて、電解質の表面伝導率を持ちます。帯電した表面に付着したイオンは、移動可能な対イオンの雲を引き付けます。固定イオンと移動イオンは二重層を形成します。小さなチャネルでは、表面伝導率が電荷輸送の大部分を担います。小さなチャネルでは、表面伝導率が体積伝導率を上回ります。負の表面電荷は、しっかりと結合したプロトンによって占められることがあります。低いpH（高いプロトン濃度）では、壁の電荷は完全に中和されます。表面伝導率は消失します。表面伝導率がpHに依存するため、チャネルはpHセンサーになります。 ^{[ 44 ]}

電流整流孔：非対称孔は片面エッチングによって得られる。幾何学的非対称性は伝導非対称性につながる。この現象は電気バルブに似ている。孔には開状態と閉状態の2つの特徴的な伝導状態がある。ある電圧を超えるとバルブが開き、ある電圧を下回るとバルブが閉じる。^{[ 45 ] [ 46 ]}

感温性チャネル：チャネルを感温性ゲルで覆うことで得られる。 ^{[ 47 ]}

バイオセンサー：チャネル壁の化学修飾により、通過する粒子との相互作用が変化する。異なる壁被覆材は特定の分子に結合し、その通過を遅延させる。この意味で、壁は通過する粒子を認識する。例として、DNA断片は相補的な断片によって選択的に結合される。結合した分子はチャネルの体積を減少させる。誘発される抵抗変化は分子の濃度を反映する。^{[ 48 ]}

異方性伝導：多数の自立ワイヤで覆われたプラットフォームは、広い面積の電界放出体として機能する。^{[ 49 ]}

磁性多層膜：磁性層と非磁性層が交互に積層されたナノワイヤは、磁気センサーとして機能します。例として、コバルト/銅ナノワイヤは、両方の金属を含む電解液から得られます。低電圧では、純銅が析出する一方、コバルトは電気析出に抵抗します。高電圧では、両方の金属が合金として析出します。電解液が主にコバルトを含む場合、コバルトの割合が高い磁性コバルト-銅合金が析出します。多層ワイヤの電気伝導率は、印加される外部磁場に依存します。コバルト層の磁気秩序は、印加磁場とともに増加します。磁場がない場合、隣接する磁性層は反平行秩序を好みます。磁場がある場合、磁性層は磁場と平行な方向を好みます。平行方向は、電気抵抗の減少に対応します。この効果は、磁気記録媒体の読み取りヘッドで使用されています（「GMR効果」）。^{[ 50 ]}

スピントロニクス：スピンバルブ構造は、厚さの異なる2つの磁性層で構成されています。厚い層は磁気安定性が高く、偏光子として使用されます。薄い層は分析器として機能します。偏光子に対する磁化方向（平行または反平行）に応じて、その導電率はそれぞれ低または高くなります。^{[ 51 ]}

テクスチャ：疎水性コーティングを施した傾斜テクスチャは、同時に超疎水性かつ異方性であり、^{[ 18 ]}輸送の優先方向を示します。この効果は、振動を並進運動に変換することが実証されています。^{[ 52 ]}

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  粒子通過チャネル。過渡的な電流降下は粒子の体積に比例する。
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  pHセンサー：動く円は、負に帯電したチャネルの断面を表しています。左：低pHでは、表面電荷はすべてプロトンで占められています（導電率が低い）。右：高pHでは、表面電荷はすべて利用可能です（導電率が高い）。
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  非対称な細孔は、正イオンを右から左へ優先的に透過させる。
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  温度応答性チャネル。ハイドロゲルで覆われたチャネルは、ハイドロゲルの臨界温度を超えると開き、臨界温度を下回ると閉じる。
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  生体特異的センサー。免疫反応物質で被覆されたチャネルの電気抵抗は、特定の分子の濃度に依存する。
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  電界放出アレイ
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  多層磁気センサー。低磁場：反平行配向、高抵抗。高磁場：平行配向、低抵抗。
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  スピンアナライザースピン偏極電子のエネルギー損失は、アナライザーの磁気方向によって変化します。左：偏極器（青：スピンアップ）。右：アナライザー（青：スピンアップ、赤：スピンダウン）。
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  非対称な輸送特性を持つ傾斜した線路テクスチャ。

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