イオントラック

イオントラックは、高速の重 イオンが固体を貫通することによって形成される損傷跡であり、さまざまな結晶質、ガラス質、および/または高分子固体で化学エッチングを行うのに十分な連続性がある場合があります。^{[1] [2]}これらは、直径が数ナノメートルの円筒形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）、またはガス透過によって研究できます。^[5]

イオントラック技術は、マイクロテクノロジーと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っています。^[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または円筒になります。 ^{[7]エッチングされたトラックシリンダーは、}フィルターとして使用したり、^{[8] [9]} コールターカウンターマイクロチャネルとして使用したり、^[10]単分子層で変更したり、^[11]電気メッキで充填したりできます。^{[12] [13]}

イオン トラック テクノロジーは、従来のナノリソグラフィーでは実現できなかった次のようなニッチな領域を埋めるために開発されました。

• 耐放射線性 鉱物、ガラス、ポリマーの直接成形^[2]
• 8ナノメートルまでの解像度限界を持つ細長い構造の生成^[7]
• 現像工程を経ずに薄膜に直接穴をあける^[14]
• 構造の深さをターゲットの厚さではなくイオンの飛程で定義する^{[15] [16]}
• アスペクト比（深さ÷幅）が最大104^の構造を生成する。^[2]
• 定義された切断角度で剛性および柔軟性のある材料を成形する^[17]
• 定義された傾斜角を持つ整列したテクスチャの領域の探索^[18]
• 部分的に重なり合った単一トラックからなるランダムパターンの生成^[19]
• 多数の個別の単線構造の生成^[20]
• 個々の単一トラックからなる目的パターンの生成^[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る：^[2]

• 高い均質性: イオン トラック コアの密度不足と比較して、元の材料の局所的な密度の変化が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半透明な材料には、この特性があります。ポリテトラフルオロエチレンなどの粒状ポリマーには、この特性がありません。
• 高い電気抵抗: 非導電性の誘電体鉱物、ガラス、ポリマーにはこの特性がありますが、高導電性の金属や合金にはこの特性はありません。金属では、熱拡散率が電気伝導率と連動して、熱スパイクの形成を抑制します。
• 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放射線感受性が高いです。ポリマーの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 コアで優勢) と架橋 (トラック ハローで優勢) の両方を引き起こします。
• 低い原子移動度: 選択的イオン トラック エッチングでは、潜在的なイオン トラックと元の材料との間の密度コントラストが高くなければなりません。コントラストは、原子移動度に応じて拡散により薄れます。イオン トラックはアニールできます。ガラスでは、イオン結晶に比べて消去が高速です。

現在、いくつかの種類の高速重イオン発生器と照射方式が使用されています。

高速の重イオンが固体を貫通すると、直径数ナノメートルの円筒内に閉じ込められた不規則で変形した物質の痕跡が残る。重い入射イオンと軽い標的電子の間のエネルギー移動は、二元衝突で発生する。弾き飛ばされた一次電子は帯電領域を残し、エネルギーが減少する電子の数が増える二次電子衝突カスケードを引き起こす。この電子衝突カスケードは、イオン化ができなくなると停止する。残ったエネルギーは原子の励起と振動につながり、（熱）を生成する。陽子と電子の質量比が大きいため、入射エネルギーは徐々に減少し、入射経路は直線となる。^{[29]伝達されたエネルギーのごく一部は、固体内にイオンの跡として残る。イオンの跡の直径は、物質の}放射線感受性が増すにつれて大きくなる。イオンの跡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る。

• イオン爆発スパイクモデル^[30]によれば、一次イオン化は原子衝突カスケードを誘発し、^[31]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閉じ込めら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核の間のエネルギー移動を担う。温度が標的物質の融点を超えると液体が形成される。急速な急冷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の軌跡に対応する。^{[3] [33]}

熱スパイクモデルは、さまざまな材料の放射線感受性は、その熱伝導率と融点に依存することを示唆しています。

• 
  熱スパイク モデル
  イオン トラックは、イオン軌道の周囲の溶融ゾーンが急速に消滅した後の凍結した無秩序状態に対応します。温度は色で表されます。イオン パスは画像平面に垂直です。
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  白 雲母の潜在イオン軌跡。発射イオンの阻止能に応じて、軌跡の幅は 4 ～ 10 ナノメートルになります。
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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しきい値: 選択エッチングに必要なエネルギー入力。イオン結晶の場合、しきい値は熱伝導率とともに増加します。比較のためにアモルファス金属FeBSiC が含まれています。

選択的イオントラックエッチング^[2]は、粒界および結晶転位の選択的エッチングと密接に関連しています。エッチングプロセスは、照射された材料と元の材料を区別するために十分に遅くなければなりません。結果として得られる形状は、材料の種類、エッチング剤の濃度、エッチング浴の温度によって異なります。結晶とガラスでは、選択的エッチングはイオントラックの密度の低下によるものです。ポリマーでは、選択的エッチングはイオントラックコアでのポリマーの断片化によるものです。コアゾーンはトラックハローに囲まれており、その中での架橋によりトラックエッチングが妨げられることがあります。架橋されたトラックハローが除去されると、トラック半径は時間とともに直線的に増加します。選択的エッチングの結果は、谷、細孔、またはチャネルです。

界面活性剤強化エッチングはイオントラックの形状を変更するために使用されます。^[34]これは自己組織化 単分子膜に基づいています。^[11]単分子膜はエッチング媒体の溶媒和イオンに対して半透過性があり、表面攻撃を軽減します。界面活性剤とエッチング媒体の相対濃度に応じて、樽型または円筒形のイオントラック細孔が得られます。この技術はアスペクト比を高めるために使用できます。^[35]

繰り返し照射と処理: 穿孔ウェルを作成するために使用される 2 段階の照射とエッチングのプロセス。

任意の照射角度により、特定の対称軸に沿って異方性が強制されます。

多角チャネルは、異なる方向の 2 つ以上のチャネル配列で構成される相互浸透ネットワークです。

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  トラックエッチング比 5:1 でのイオントラックの両面エッチング。
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  上部の直径が大幅に縮小された非対称イオン トラック チャネル。
• 
  底に穴があいたマイクロウェル。
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  異なるチャネル傾斜（垂直と 45 度）を持つ 2 つの膜。
• 
  2 つの支柱角度 (±10、±20、±45 度) で穿孔された 3 つの膜。

¹⁾増感剤は、結合を切断するか自由体積を増やすことで、トラックエッチング比を高めます。2
⁾減感剤は、トラックエッチング比を下げます。あるいは、イオントラックを熱アニールすることもできます。3
⁾一般的なエッチング浴の温度範囲。エッチング速度は、濃度と温度とともに大幅に増加します。4
⁾軸方向エッチングはトラックエッチング速度 v _{tに依存し、放射状エッチングは一般エッチング速度 v g}に依存します。5
⁾選択性 (アスペクト比、トラックエッチング比) = トラックエッチング速度 / 一般エッチング速度 = v _t / v _g。6
⁾この方法では、残りの金属酸化物堆積物を HCl 水溶液で除去する必要があります。

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]}によって複製できます。 [38]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、テンプレートから機械的または化学的に分離できます。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で得られます。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着によって得られます。貫通孔の複製では、陰極フィルムを膜の片側に堆積し、膜を金属塩溶液に浸します。陰極フィルムは、膜の反対側に配置された陽極に対して負に帯電します。正の金属イオンは陰極に引き寄せられ、そこで電子を捕らえてコンパクトな金属フィルムとして沈殿します。電着中、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。堆積が速いと多結晶ワイヤになり、堆積が遅いと単結晶ワイヤになります。膜の陽極側にベアリングフィルムを堆積した後、テンプレートを除去すると、自立型のレプリカが得られます。

相互浸透ワイヤネットワークは、多角度のトラックエッチング膜に電気めっきすることで作製されます。調整可能な複雑さとワイヤ間の接続性を備えた自立型3次元ネットワークが得られます。^[39]

セグメント化されたナノワイヤは、電気めっき中に極性を交互に変えることによって製造されます。^[40]セグメントの長さはパルス持続時間によって調整されます。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ます。

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  PCに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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  相互浸透ワイヤーネットワーク
• 
  セグメント化されたプラチナナノワイヤの束

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および補完され、一部のアプリケーション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」の溶解性を変更し、マスキングによって選択された領域を放射線への曝露、化学攻撃、および原子衝撃による侵食から保護します。この方法で生成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に向かって拡大しています。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の中で何百万年も変化せずに残るため有用である。その密度は鉱物が溶融物から固化した時間に関する情報をもたらし、核分裂トラック年代測定の地質学的時計として使用される。

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の一つであり^[8]、現在ではいくつかの企業によって製造されています。^[41]イオントラック細孔を有するマイカ膜は、ベックとシュルツによってナノ細孔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ました。^{[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適用されます。

pHセンサー:電解質で満たされた帯電チャネルは電解質の通常の体積伝導率に加えて、表面伝導率を持ちます。帯電表面に付着したイオンは、可動性対イオンの雲を引き付けます。固定イオンと可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超えます。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ます。低pH（高プロトン濃度）では、壁電荷は完全に中和されます。表面伝導率は消失します。表面伝導率はpHに依存するため、チャネルはpHセンサーになります。 ^[44]

整流孔：片面エッチングにより非対称孔が得られる。幾何学的非対称性は伝導の非対称性につながる。この現象は電気バルブに似ている。孔には開と閉の2つの特徴的な伝導状態がある。ある電圧以上ではバルブが開き、ある電圧以下ではバルブが閉じる。^{[45] [46]}

熱応答性チャネル：チャネルを熱応答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は、通過する粒子との相互作用を変化させます。異なる壁クラッディングは特定の分子に結合し、その通過を遅らせます。この意味で、壁は通過する粒子を認識します。例として、DNA断片は相補的断片によって選択的に結合します。結合した分子はチャネルの容積を減少させます。誘導された抵抗変化は分子の濃度を反映します。^[48]

異方性伝導：多数の独立したワイヤで覆われたプラットフォームが大面積の電界エミッタとして機能する。^[49]

磁性多層膜: 磁性層と非磁性層が交互に重なったナノワイヤは、磁気センサーとして機能します。たとえば、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、純粋な銅が析出されますが、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されます。電解液に主にコバルトが含まれている場合、コバルトの割合が高い磁性コバルト銅合金が析出されます。多層ワイヤの電気伝導性は、適用される外部磁場に依存します。コバルト層の磁気秩序は、適用される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、磁気記憶媒体の読み取りヘッドで使用されます (「GMR 効果」)。^[50]

スピントロニクス：スピンバルブ構造は、異なる厚さの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。薄い層は検光子として機能します。偏光子に対する磁化方向（平行または反平行）に応じて、導電性はそれぞれ低くなったり高くなったりします。^[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、超疎水性と異方性を同時に持ち、^[18]優先的な輸送方向を示します。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。過渡電流の低下は粒子の体積に比例します。
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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ます。左: 低 pH では、すべての表面電荷がプロトンで占められます (低伝導率)。右: 高 pH では、すべての表面電荷が利用可能になります (高伝導率)。
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  非対称の細孔は、正イオンを右から左へ優先的に透過します。
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  熱応答性チャネル。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以上で開き、臨界温度以下で閉じます。
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  生体特異性センサー。免疫反応物で覆われたチャネルの電気抵抗は、特定の分子の濃度に依存します。
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  フィールドエミッタアレイ
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  多層磁気センサー。
  低磁場：反平行配向および高抵抗。
  高磁場：平行配向および低抵抗。
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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異なります。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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  非対称のトランスポート プロパティを持つ傾斜トラック テクスチャ。

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