イオントラック
ポリエチレンテレフタレートにエッチングされたイオントラック

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を持つ場合があります。[ 1 ] [ 2 ]イオントラックは、直径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

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形になります。[ 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 ]単分子膜で修飾したり、[ 11 ]電気メッキで充填したりすることができます。[ 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補うために開発されました。

イオントラック記録の影響を受けやすい材料

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 ]

照射装置および方法

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。

アルファ線源および核分裂線源[ 22 ] [ 23 ]は、広い角度、質量、エネルギー分布を持つ低強度のビームを提供します。放出される核分裂片の飛程は、ポリマー中で約15マイクロメートルに制限されます。弱いカリホルニウム-252またはアメリシウム-241線源[ 24 ]は、科学技術探査に使用されます。これらは小型で安価であり、安全に取り扱うことができます。
放射性核種を用いた放射線照射
原子炉は、幅広い角度、質量、エネルギー分布を持つ核分裂片を放出します。アルファ線源や核分裂源と同様に、放出された核分裂片の透過範囲は約15マイクロメートルに制限されています。原子炉はフィルターの製造に使用されます。
原子炉での照射
重イオン粒子加速器は、定められた質量、エネルギー、傾斜角を持つイオンを高輝度で平行ビーム照射する。 [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]強度は広範囲にわたり、最大で毎秒数十億個のイオンに達する。利用可能なエネルギーに応じて、数マイクロメートルから数百マイクロメートルの飛跡長を生成できる。加速器はマイクロテクノロジーやナノテクノロジーに利用されている。クーロン障壁以下のイオンエネルギーでは放射能汚染は発生しない。[ 28 ]
イオン加速器での照射
単一イオン照射は、円錐、チャネル、ピン、ワイヤなどの個々のマイクロ構造およびナノ構造を製造するために使用されます。[ 20 ]この技術では、1つのイオンがターゲット箔を貫通した後にオフにできる弱いイオンビームが必要です。
単一イオンシステム
イオンマイクロビームは、照射プロセスを最高レベルで制御する。これにより、重イオン加速器の出力は、試料表面を走査可能な小さなフィラメントに制限される。個々の高速重イオンによるスクライビングは、約1マイクロメートルの照準精度で可能である。[ 21 ]
イオンマイクロビームシステム

イオントラックの形成

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起こる。弾き飛ばされた一次電子は荷電領域を残し、エネルギーが減少する電子数の増加を伴う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、入射イオンのエネルギーは徐々に減少し、入射イオンの進路は直線となる。[ 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飛跡として残る。イオンの飛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。イオンの飛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、二次電子は材料中に空間的に閉じ込められた電子照射に似た放射線効果を誘導する。[ 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は、入射イオンと標的原子核間のエネルギー移動を担う。標的物質の温度が融点を超えると、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。その無秩序性はイオンの飛跡に対応する。[ 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 イオンの軌跡は、イオン軌道周辺の溶融帯が急速に消滅した後に生じる凍結乱れに対応します。温度は色で表されます。イオンの軌跡は画像面に対して垂直です。
    熱スパイクモデルイオンの軌跡は、イオン軌道周辺の溶融帯が急速に消滅した後に生じる凍結乱れに対応します。温度は色で表されます。イオンの軌跡は画像面に対して垂直です。
  • 白雲母中の潜在イオン飛跡。飛跡幅は、入射イオンの阻止能に応じて4～10ナノメートルの範囲となる。
    白雲母中の潜在イオン飛跡。飛跡幅は、発射イオンの阻止能に応じて4～10ナノメートルの範囲となる。
  • 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。
    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。
  • トラックエッチング閾値：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、閾値は熱伝導率とともに増加する。比較のためにアモルファス金属FeBSiCも含める。
    トラックエッチング閾値：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、閾値は熱伝導率とともに増加する。比較のためにアモルファス金属FeBSiCも含める。

エッチング方法

選択イオンエッチング

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エッチングと密接に関連している。エッチングプロセスは、照射された材料と照射されていない材料を区別するために十分に遅くなければならない。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、エッチング槽の温度に依存する。結晶およびガラスでは、選択エッチングはイオントラックの密度の減少により起こる。ポリマーでは、選択エッチングはイオントラックコアにおけるポリマーの断片化により起こる。コア領域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る。架橋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する。選択エッチングの結果は、谷、細孔、またはチャネルである。

界面活性剤強化エッチング

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 ]この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 1 つ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。

  • トラックメンブレンの両面エッチング
    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。
  • 上端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。
    上端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。
    底に穴があいたマイクロウェル。
  • 異なるチャネル傾斜 (垂直と 45 度) を持つ 2 つの膜。
    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。
    2 つの支柱角度 (±10、±20、±45 度) で穿孔された 3 つの膜。
一般的なポリマーのトラックエッチング[ 36 ]
材料pHウェットエッチング液感作剤1)減感作剤2）温度/℃ 3)スピード4）選択性5)
パソコン基本的な水酸化ナトリウム紫外線アルコール50～80速い100～10000
ペット基本的な水酸化ナトリウムUV、DMFアルコール50～90速い10～1000
基本的なK 2 CO 380遅い1000
PI基本的な塩化ナトリウム水酸化ナトリウム50～80速い100～1000
CR-39基本的な水酸化ナトリウム紫外線50～80速い10～1000
PVDF 6)基本的なKMnO 4 + NaOH80中くらい10～100
PMMA 6)酸性KMnO 4 + H 2 SO 450～80中くらい10
PP6 )酸性CrO 3 + H 2 SO 480速い10～100

1)増感剤は、結合を切断するか自由体積を増加させることによって、トラックエッチング比を増加させます。2 )減感剤は、トラックエッチング比を減少させます。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槽の温度範囲。エッチング速度は濃度と温度の上昇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、残留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。

レプリケーション

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 ]で複製できます。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、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、膜の片側に陰極フィルムを堆積し、その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、そこで電子を捕捉して緻密な金属膜として沈殿します。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。堆積速度が速いと多結晶ワイヤが得られ、堆積速度が遅いと単結晶ワイヤが得られます。膜の陽極側にベアリングフィルムを堆積させた後、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ます。

相互浸透型ワイヤーネットワークは、多角度のトラックエッチング膜に電気めっきを施すことで作製されます。これにより、複雑性とワイヤー間の接続性を調整可能な、自立型の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、電着中に極性を交互に変化させることによって作製されます。[ 40 ]セグメントの長さはパルス幅によって調整されます。このようにして、電気的、熱的、および光学的特性を調整することができます。

  • 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
    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
  • 相互浸透ワイヤーネットワーク
    相互浸透ワイヤーネットワーク
  • セグメント化された白金ナノワイヤの束
    セグメント化された白金ナノワイヤの束

アプリケーション

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、粒子線によって補完・補完されつつあり、場合によっては粒子線に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感受性ポリマー（いわゆる「レジスト」）の溶解性を変化させ、マスキングによって選択された領域を放射線への曝露、化学的な攻撃、原子衝撃による侵食から保護します。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で数百万年もの間変化せずに残るため有用です。その密度は鉱物が溶融状態から固化した時期に関する情報を提供し、フィッショントラック年代測定における地質時計として用いられます。

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明らかに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導電率に加えて、表面導電率を持ちます。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寄せます。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、表面導電率が電荷輸送の大部分を担います。小さなチャネルでは、表面導電率が体積導電率を上回ります。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有されます。低pH（高プロトン濃度）では、壁電荷は完全に中和されます。表面導電率は消失します。表面導電率がpHに依存するため、チャネルはpHセンサーになります。 [ 44 ]

整流性細孔：片面エッチングによって非対称細孔が得られる。この幾何学的非対称性は伝導の非対称性につながる。この現象は電気弁に似ている。細孔は開状態と閉状態の2つの特徴的な伝導状態を持つ。ある電圧以上では弁が開き、ある電圧以下では弁が閉じる。[ 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。異なる壁被覆は特定の分子に結合し、その通過を遅らせます。このように、壁は通過する粒子を認識します。例えば、DNA断片は相補的なDNA断片と選択的に結合します。結合した分子はチャネル容積を減少させます。誘導される抵抗変化は、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は、大面積のフィールドエミッタとして機能します。[ 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。例えば、コバルト/銅ナノワイヤは、両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しますが、コバルトは電析しにくい性質を持っています。高電圧では、両金属は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、コバルト含有率の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大します。磁場がない場合、隣接する磁性層は反平行配向を好みます。磁場がある場合、磁性層は磁場と平行な配向を好みます。平行配向は電気抵抗の低減に相当します。この効果は、磁気記録媒体の読み取りヘッドに利用されています（「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、超疎水性と異方性を同時に持ち、[ 18 ]特定の方向への輸送特性を示す。この効果により、振動が並進運動に変換されることが実証されている。[ 52 ]

  • 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。
    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。
  • 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、すべての表面電荷がプロトンで占められています（導電性が低い）。右：高pHでは、すべての表面電荷が利用可能です（導電性が高い）。
    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、すべての表面電荷がプロトンで占められています（低導電率）。右：高pHでは、すべての表面電荷が利用可能です（高導電率）。
  • 非対称の細孔は、陽イオンを右から左へ優先的に透過します。
    非対称の細孔は、陽イオンを右から左へ優先的に透過します。
  • 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。
    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。
  • 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。
    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。
  • フィールドエミッタアレイ
    フィールドエミッタアレイ
  • 多層磁気センサー。低磁場：反平行配向で高抵抗。高磁場：平行配向で低抵抗。
    多層磁気センサー。低磁場：反平行配向で高抵抗。高磁場：平行配向で低抵抗。
  • 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依存します。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）。
    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依存します。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）。
  • 非対称のトランスポート プロパティを持つ傾斜したトラック テクスチャ。
    非対称のトランスポート プロパティを持つ傾斜したトラック テクスチャ。

注記

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