HANDBOOK OF NANOTECHNOLOGY

Bharat Bhushan (ed.)

TABLE OF CONTENTS

Foreword by Neal Lane  6
Foreword by James R. Heath  8
Preface  10
Editors Vita  12
List of Authors  14
Contents  22
List of Tables   30
List of Abbreviations   34

1 Introduction to Nanotechnology   1

1.1 Background and Definition of Nanotechnology  1
1.2 Why Nano?  2
1.3 Lessons from Nature  2
1.4 Applications in Different Fields  3
1.5 Reliability Issues of MEMS/NEMS  4
1.6 Organization of the Handbook  5
References  5

Part A Nanostructures, Micro/Nanofabrication, and Micro/Nanodevices


2 Nanomaterials Synthesis and Applications: Molecule-Based Devices   9

2.1 Chemical Approaches to Nanostructured Materials  10
   2.1.1 From Molecular Building Blocks to Nanostructures  10
   2.1.2 Nanoscaled Biomolecules: Nucleic Acids and Proteins  10
   2.1.3 Chemical Synthesis of Artificial Nanostructures  12
   2.1.4 From Structural Control to Designed Properties and Functions  12
2.2 Molecular Switches and Logic Gates  14
   2.2.1 From Macroscopic to Molecular Switches  15
   2.2.2 Digital Processing and Molecular Logic Gates  15
   2.2.3 Molecular AND, NOT, and OR Gates  16
   2.2.4 Combinational Logic at the Molecular Level  17
   2.2.5 Intermolecular Communication  18
2.3 Solid State Devices  22
   2.3.1 From Functional Solutions to Electroactive and Photoactive Solids  22
   2.3.2 Langmuir-Blodgett Films  23
   2.3.3 Self-Assembled Monolayers  27
   2.3.4 Nanogaps and Nanowires  31
2.4 Conclusions and Outlook  35
References  36

3 Introduction to Carbon Nanotubes   39

3.1 Structure of Carbon Nanotubes  40
   3.1.1 Single-Wall Nanotubes  40
   3.1.2 Multiwall Nanotubes  43
3.2 Synthesis of Carbon Nanotubes  45
   3.2.1 Solid Carbon Source-Based Production Techniques for Carbon Nanotubes  45
   3.2.2 Gaseous Carbon Source-Based Production Techniques for Carbon Nanotubes  52
   3.2.3 Miscellaneous Techniques  57
   3.2.4 Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes  58
3.3 Growth Mechanisms of Carbon Nanotubes  59
   3.3.1 Catalyst-Free Growth  59
   3.3.2 Catalytically Activated Growth  60
3.4 Properties of Carbon Nanotubes  63
   3.4.1 Variability of Carbon Nanotube Properties  63
   3.4.2 General Properties  63
   3.4.3 SWNT Adsorption Properties  63
   3.4.4 Transport Properties  65
   3.4.5 Mechanical Properties  67
   3.4.6 Reactivity  67
3.5 Carbon Nanotube-Based Nano-Objects  68
   3.5.1 Hetero-Nanotubes  68
   3.5.2 Hybrid Carbon Nanotubes  68
   3.5.3 Functionalized Nanotubes  71
3.6 Applications of Carbon Nanotubes  73
   3.6.1 Current Applications  73
   3.6.2 Expected Applications Related to Adsorption  76
References  86

4 Nanowires   99

4.1 Synthesis  100
   4.1.1 Template-Assisted Synthesis  100
   4.1.2 VLS Method for Nanowire Synthesis  105
   4.1.3 Other Synthesis Methods  107
   4.1.4 Hierarchical Arrangement and Superstructures of Nanowires  108
4.2 Characterization and Physical Properties of Nanowires  110
   4.2.1 Structural Characterization  110
   4.2.2 Transport Properties  115
   4.2.3 Optical Properties  126
4.3 Applications  131
   4.3.1 Electrical Applications  131
   4.3.2 Thermoelectric Applications  133
   4.3.3 Optical Applications  134
   4.3.4 Chemical and Biochemical Sensing Devices  137
   4.3.5 Magnetic Applications  137
4.4 Concluding Remarks  138
References  138

5 Introduction to Micro/Nanofabrication   147

5.1 Basic Microfabrication Techniques  148
   5.1.1 Lithography  148
   5.1.2 Thin Film Deposition and Doping  149
   5.1.3 Etching and Substrate Removal  153
   5.1.4 Substrate Bonding  157
5.2 MEMS Fabrication Techniques  159
   5.2.1 Bulk Micromachining  159
   5.2.2 Surface Micromachining  163
   5.2.3 High-Aspect-Ratio Micromachining  166
5.3 Nanofabrication Techniques  170
   5.3.1 E-Beam and Nano-Imprint Fabrication  171
   5.3.2 Epitaxy and Strain Engineering  172
   5.3.3 Scanned Probe Techniques  173
   5.3.4 Self-Assembly and Template Manufacturing  176
References  180

6 Stamping Techniques for Micro and Nanofabrication: Methods and Applications   185

6.1 High Resolution Stamps  186
6.2 Microcontact Printing  187
6.3 Nanotransfer Printing  190
6.4 Applications  193
   6.4.1 Unconventional Electronic Systems  193
   6.4.2 Lasers and Waveguide Structures  198
6.5 Conclusions  200
References  200

7 Materials Aspects of Micro- and Nanoelectromechanical Systems   203

7.1 Silicon  203
   7.1.1 Single Crystal Silicon  204
   7.1.2 Polysilicon  205
   7.1.3 Porous Silicon  208
   7.1.4 Silicon Dioxide  208
   7.1.5 Silicon Nitride  209
7.2 Germanium-Based Materials  210
   7.2.1 Polycrystalline Ge  210
   7.2.2 Polycrystalline SiGe  210
7.3 Metals  211
7.4 Harsh Environment Semiconductors  212
   7.4.1 Silicon Carbide  212
   7.4.2 Diamond  215
7.5 GaAs, InP, and Related III-V Materials  217
7.6 Ferroelectric Materials  218
7.7 Polymer Materials  219
   7.7.1 Polyimide  219
   7.7.2 SU-8  220
   7.7.3 Parylene  220
7.8 Future Trends  220
References  221

8 MEMS/NEMS Devices and Applications   225

8.1 MEMS Devices and Applications  227
   8.1.1 Pressure Sensor  227
   8.1.2 Inertial Sensor  229
   8.1.3 Optical MEMS  233
   8.1.4 RF MEMS  239
8.2 NEMS Devices and Applications  246
8.3 Current Challenges and Future Trends  249
References  250

9 Microfluidics and Their Applications to Lab-on-a-Chip   253

9.1 Materials for Microfluidic Devices and Micro/Nano Fabrication Techniques  254
   9.1.1 Silicon  254
   9.1.2 Glass  254
   9.1.3 Polymer  255
9.2 Active Microfluidic Devices  257
   9.2.1 Microvalves  258
   9.2.2 Micropumps  260
9.3 Smart Passive Microfluidic Devices  262
   9.3.1 Passive Microvalves  262
   9.3.2 Passive Micromixers  265
   9.3.3 Passive Microdispensers  266
   9.3.4 Microfluidic Multiplexer Integrated with Passive Microdispenser  267
   9.3.5 Passive Micropumps  269
   9.3.6 Advantages and Disadvantages
of the Passive Microfluidic Approach  269
9.4 Lab-on-a-Chip for Biochemical Analysis  270
   9.4.1 Magnetic Micro/Nano Bead-Based Biochemical Detection System  270
   9.4.2 Disposable Smart Lab-on-a-Chip for Blood Analysis  273
References  276

10 Therapeutic Nanodevices   279

10.1 Definitions and Scope of Discussion  280
   10.1.1 Design Issues  281
   10.1.2 Utility and Scope of Therapeutic Nanodevices  285
10.2 Synthetic Approaches: Уtop-downФ versus Уbottom-upФ Approaches for Nanotherapeutic Device Components  285
   10.2.1 Production of Nanoporous Membranes by Microfabrication Methods: A top-down Approach  285
   10.2.2 Synthesis of Poly(amido) Amine (PAMAM) Dendrimers: A bottom-up Approach  286
   10.2.3 The Limits of top-down and bottom-up Distinctions with Respect to Nanomaterials and Nanodevices  287
10.3 Technological and Biological Opportunities  288
   10.3.1 Assembly Approaches  288
   10.3.2 Targeting: Delimiting Nanotherapeutic Action
in Three-Dimensional Space  296
   10.3.3 Triggering: Delimiting Nanotherapeutic Action in Space and Time  298
   10.3.4 Sensing Modalities  302
   10.3.5 Imaging Using Nanotherapeutic Contrast Agents  304
10.4 Applications for Nanotherapeutic Devices  307
   10.4.1 Nanotherapeutic Devices in Oncology  307
   10.4.2 Cardiovascular Applications of Nanotherapeutics  310
   10.4.3 Nanotherapeutics and Specific Host Immune Responses  311
10.5 Concluding Remarks: Barriers to Practice and Prospects  315
   10.5.1 Complexity in Biology  315
   10.5.2 Dissemination of Biological Information  315
   10.5.3 Cultural Differences Between Technologists and Biologists  316
References  317

Part B Scanning Probe Microscopy


11 Scanning Probe Microscopy - Principle of Operation, Instrumentation, and Probes   325

11.1 Scanning Tunneling Microscope  327
   11.1.1 Binnig et al.Тs Design  327
   11.1.2 Commercial STMs  328
   11.1.3 STM Probe Construction  330
11.2 Atomic Force Microscope  331
   11.2.1 Binnig et al.Тs Design  333
   11.2.2 Commercial AFM  333
   11.2.3 AFM Probe Construction  338
   11.2.4 Friction Measurement Methods  342
   11.2.5 Normal Force and Friction Force Calibrations of Cantilever Beams  346
11.3 AFM Instrumentation and Analyses  347
   11.3.1 The Mechanics of Cantilevers  347
   11.3.2 Instrumentation and Analyses of Detection Systems for Cantilever Deflections  350
   11.3.3 Combinations for 3-D-Force Measurements  358
   11.3.4 Scanning and Control Systems  359
References  364

12 Probes in Scanning Microscopies   371

12.1 Atomic Force Microscopy  372
   12.1.1 Principles of Operation  372
   12.1.2 Standard Probe Tips  373
   12.1.3 Probe Tip Performance  374
   12.1.4 Oxide-Sharpened Tips  375
   12.1.5 FIB tips  376
   12.1.6 EBD tips  376
   12.1.7 Carbon Nanotube Tips  376
12.2 Scanning Tunneling Microscopy  382
   12.2.1 Mechanically Cut STM Tips  382
   12.2.2 Electrochemically Etched STM Tips  383
References  383

13 Noncontact Atomic Force Microscopy and Its Related Topics   385

13.1 Principles of Noncontact Atomic Force Microscope (NC-AFM)  386
   13.1.1 Imaging Signal in AFM  386
   13.1.2 Experimental Measurement and Noise  387
   13.1.3 Static AFM Operating Mode  387
   13.1.4 Dynamic AFM Operating Mode  388
   13.1.5 The Four Additional Challenges Faced by AFM  388
   13.1.6 Frequency-Modulation AFM (FM-AFM)  389
   13.1.7 Relation Between Frequency Shift and Forces  390
   13.1.8 Noise in Frequency-Modulation AFM - Generic Calculation  391
   13.1.9 Conclusion  391
13.2 Applications to Semiconductors  391
   13.2.1 Si(111)7?7 Surface  392
   13.2.2 Si(100)2?1 and Si(100)2?1:H Monohydride Surfaces  393
   13.2.3 Metal-Deposited Si Surface  395
13.3 Applications to Insulators  397
   13.3.1 Alkali Halides, Fluorides, and Metal Oxides  397
   13.3.2 Atomically Resolved Imaging of a NiO(001) Surface  402
   13.3.3 Atomically Resolved Imaging Using Noncoated and Fe-Coated Si Tips  402
13.4 Applications to Molecules  404
   13.4.1 Why Molecules and What Molecules?  404
   13.4.2 Mechanism of Molecular Imaging  404
   13.4.3 Perspectives  407
References  407

14 Low Temperature Scanning Probe Microscopy   413

14.1 Microscope Operation at Low Temperatures  414
   14.1.1 Drift  414
   14.1.2 Noise  415
   14.1.3 Stability  415
   14.1.4 Piezo Relaxation and Hysteresis  415
14.2 Instrumentation  415
   14.2.1 A Simple Design for a Variable Temperature STM  416
   14.2.2 A Low Temperature SFM Based on a Bath Cryostat  417
14.3 Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy  419
   14.3.1 Atomic Manipulation  419
   14.3.2 Imaging Atomic Motion  420
   14.3.3 Detecting Light from Single Atoms and Molecules  421
   14.3.4 High Resolution Spectroscopy  422
   14.3.5 Imaging Electronic Wave Functions  427
   14.3.6 Imaging Spin Polarization: Nanomagnetism  431
14.4 Scanning Force Microscopy and Spectroscopy  433
   14.4.1 Atomic-Scale Imaging  434
   14.4.2 Force Spectroscopy  436
   14.4.3 Electrostatic Force Microscopy  438
   14.4.4 Magnetic Force Microscopy  439
References  442

15 Dynamic Force Microscopy   449

15.1 Motivation: Measurement of a Single Atomic Bond  450
15.2 Harmonic Oscillator: A Model System for Dynamic AFM  454
15.3 Dynamic AFM Operational Modes  455
   15.3.1 Amplitude-Modulation/ Tapping-Mode AFMs  456
   15.3.2 Self-Excitation Modes  461
15.4 Q-Control  464
15.5 Dissipation Processes Measured with Dynamic AFM  468
15.6 Conclusion  471
References  471

16 Molecular Recognition Force Microscopy   475

16.1 Ligand Tip Chemistry  476
16.2 Fixation of Receptors to Probe Surfaces  478
16.3 Single-Molecule Recognition Force Detection  479
16.4 Principles of Molecular Recognition Force Spectroscopy  482
16.5 Recognition Force Spectroscopy: From Isolated Molecules to Biological Membranes  484
   16.5.1 Forces, Energies, and Kinetic Rates  484
   16.5.2 Complex Bonds and Energy Landscapes  486
   16.5.3 Live Cells and Membranes  489
16.6 Recognition Imaging  489
16.7 Concluding Remarks  491
References  492

Part C Nanotribology and Nanomechanics


17 Micro/Nanotribology and Materials Characterization Studies Using Scanning Probe Microscopy   497

17.1 Description of AFM/FFM and Various Measurement Techniques  499
   17.1.1 Surface Roughness and Friction Force Measurements  500
   17.1.2 Adhesion Measurements  502
   17.1.3 Scratching, Wear and Fabrication/Machining  503
   17.1.4 Surface Potential Measurements  503
   17.1.5 In Situ Characterization of Local Deformation Studies  504
   17.1.6 Nanoindentation Measurements  504
   17.1.7 Localized Surface Elasticity and Viscoelasticity Mapping  505
   17.1.8 Boundary Lubrication Measurements  507
17.2 Friction and Adhesion  507
   17.2.1 Atomic-Scale Friction  507
   17.2.2 Microscale Friction  507
   17.2.3 Directionality Effect on Microfriction  511
   17.2.4 Velocity Dependence on Microfriction  513
   17.2.5 Effect of Tip Radii and Humidity on Adhesion and Friction  515
   17.2.6 Scale Dependence on Friction  518
17.3 Scratching, Wear, Local Deformation, and Fabrication/Machining  518
   17.3.1 Nanoscale Wear  518
   17.3.2 Microscale Scratching  519
   17.3.3 Microscale Wear  520
   17.3.4 In Situ Characterization of Local Deformation  524
   17.3.5 Nanofabrication/Nanomachining  526
17.4 Indentation  526
   17.4.1 Picoindentation  526
   17.4.2 Nanoscale Indentation  527
   17.4.3 Localized Surface Elasticity and Viscoelasticity Mapping  528
17.5 Boundary Lubrication  530
   17.5.1 Perfluoropolyether Lubricants  530
   17.5.2 Self-Assembled Monolayers  536
   17.5.3 Liquid Film Thickness Measurements  537
17.6 Closure  538
References  539

18 Surface Forces and Nanorheology of Molecularly Thin Films   543

18.1 Introduction: Types of Surface Forces  544
18.2 Methods Used to Study Surface Forces  546
   18.2.1 Force Laws  546
   18.2.2 Adhesion Forces  547
   18.2.3 The SFA and AFM  547
   18.2.4 Some Other Force-Measuring Techniques  549
18.3 Normal Forces Between Dry (Unlubricated) Surfaces  550
   18.3.1 Van der Waals Forces in Vacuum and Inert Vapors  550
   18.3.2 Charge Exchange Interactions  552
   18.3.3 Sintering and Cold Welding  553
18.4 Normal Forces Between Surfaces in Liquids  554
   18.4.1 Van der Waals Forces in Liquids  554
   18.4.2 Electrostatic and Ion Correlation Forces  554
   18.4.3 Solvation and Structural Forces  557
   18.4.4 Hydration and Hydrophobic Forces  559
   18.4.5 Polymer-Mediated Forces  561
   18.4.6 Thermal Fluctuation Forces  563
18.5 Adhesion and Capillary Forces  564
   18.5.1 Capillary Forces  564
   18.5.2 Adhesion Mechanics  566
   18.5.3 Effects of Surface Structure, Roughness, and Lattice Mismatch  566
   18.5.4 Nonequilibrium and Rate-Dependent Interactions:Adhesion Hysteresis  567
18.6 Introduction: Different Modes of Friction and the Limits of Continuum Models  569
18.7 Relationship Between Adhesion and Friction Between Dry (Unlubricated and Solid Boundary Lubricated) Surfaces  571
   18.7.1 AmontonsТ Law and Deviations from It Due to Adhesion:
The Cobblestone Model  571
   18.7.2 Adhesion Force and Load Contribution to Interfacial Friction  572
   18.7.3 Examples of Experimentally Observed Friction of Dry Surfaces  576
   18.7.4 Transition from Interfacial to Normal Friction with Wear  579
18.8 Liquid Lubricated Surfaces  580
   18.8.1 Viscous Forces and Friction of Thick Films: Continuum Regime  580
   18.8.2 Friction of Intermediate Thickness Films  582
   18.8.3 Boundary Lubrication of Molecularly Thin Films: Nanorheology  584
18.9 Role of Molecular Shape and Surface Structure in Friction  591
References  594

19 Scanning Probe Studies of Nanoscale Adhesion Between Solids in the Presence of Liquids and Monolayer Films   605

19.1 The Importance of Adhesion at the Nanoscale  605
19.2 Techniques for Measuring Adhesion  606
19.3 Calibration of Forces, Displacements, and Tips  610
   19.3.1 Force Calibration  610
   19.3.2 Probe Tip Characterization  611
   19.3.3 Displacement Calibration  612
19.4 The Effect of Liquid Capillaries on Adhesion  612
   19.4.1 Theoretical Background  612
   19.4.2 Experimental and Theoretical Studies of Capillary Formation with Scanning Probes  614
   19.4.3 Future Directions  618
19.5 Self-Assembled Monolayers  618
   19.5.1 Adhesion at SAM Interfaces  618
   19.5.2 Chemical Force Microscopy: General Methodology  619
   19.5.3 Adhesion at SAM-Modified Surfaces in Liquids  620
   19.5.4 Impact of Intra- and Inter-Chain Interactions on Adhesion  621
   19.5.5 Adhesion at the Single-Bond Level  622
   19.5.6 Future Directions  623
19.6 Concluding Remarks  624
References  624

20 Friction and Wear on the Atomic Scale   631

20.1 Friction Force Microscopy in Ultra-High Vacuum  632
   20.1.1 Friction Force Microscopy  632
   20.1.2 Force Calibration  632
   20.1.3 The Ultra-high Vacuum Environment  635
   20.1.4 A Typical Microscope in UHV  635
20.2 The Tomlinson Model  636
   20.2.1 One-dimensional Tomlinson Model  636
   20.2.2 Two-dimensional Tomlinson Model  637
   20.2.3 Friction Between Atomically Flat Surfaces  637
20.3 Friction Experiments on Atomic Scale  638
   20.3.1 Anisotropy of Friction  642
20.4 Thermal Effects on Atomic Friction  642
   20.4.1 The Tomlinson Model at Finite Temperature  642
   20.4.2 Velocity Dependence of Friction  644
   20.4.3 Temperature Dependence of Friction  645
20.5 Geometry Effects in Nanocontacts  646
   20.5.1 Continuum Mechanics of Single Asperities  646
   20.5.2 Load Dependence of Friction  647
   20.5.3 Estimation of the Contact Area  647
20.6 Wear on the Atomic Scale  649
   20.6.1 Abrasive Wear on the Atomic Scale  649
   20.6.2 Wear Contribution to Friction  650
20.7 Molecular Dynamics Simulations of Atomic Friction and Wear  651
   20.7.1 Molecular Dynamics Simulation of Friction Processes  651
   20.7.2 Molecular Dynamics Simulations of Abrasive Wear  652
20.8 Energy Dissipation in Noncontact Atomic Force Microscopy  654
20.9 Conclusion  656
References  657

21 Nanoscale Mechanical Properties - Measuring Techniques and Applications   661

21.1 Local Mechanical Spectroscopy by Contact AFM  662
   21.1.1 The Variable-Temperature SLAM (T-SLAM)  663
   21.1.2 Example One: Local Mechanical Spectroscopy of Polymers  664
   21.1.3 Example Two: Local Mechanical Spectroscopy of NiTi  665
21.2 Static Methods - Mesoscopic Samples  667
   21.2.1 Carbon Nanotubes - Introduction to Basic Morphologies and Production Methods  667
   21.2.2 Measurements of the Mechanical Properties
of Carbon Nanotubes by SPM  668
   21.2.3 Microtubules and Their Elastic Properties  673
21.3 Scanning Nanoindentation: An Application to Bone Tissue  674
   21.3.1 Scanning Nanoindentation  674
   21.3.2 Application of Scanning Nanoindentation  674
   21.3.3 Example: Study of Mechanical Properties of Bone Lamellae Using SN  675
   21.3.4 Conclusion  681
21.4 Conclusions and Perspectives  682
References  682

22 Nanomechanical Properties of Solid Surfaces and Thin Films   687

22.1 Instrumentation  688
   22.1.1 AFM and Scanning Probe Microscopy  688
   22.1.2 Nanoindentation  689
   22.1.3 Adaptations of Nanoindentation  690
   22.1.4 Complimentary Techniques  691
   22.1.5 Bulge Tests  691
   22.1.6 Acoustic Methods  692
   22.1.7 Imaging Methods  693
22.2 Data Analysis  694
   22.2.1 Elastic Contacts  694
   22.2.2 Indentation of Ideal Plastic Materials  694
   22.2.3 Adhesive Contacts  695
   22.2.4 Indenter Geometry  696
   22.2.5 Analyzing Load/Displacement Curves  696
   22.2.6 Modifications to the Analysis  699
   22.2.7 Alternative Methods of Analysis  700
   22.2.8 Measuring Contact Stiffness  701
   22.2.9 Measuring Viscoelasticity  702
22.3 Modes of Deformation  702
   22.3.1 Defect Nucleation  702
   22.3.2 Variations with Depth  704
   22.3.3 Anisotropic Materials  704
   22.3.4 Fracture and Delamination  704
   22.3.5 Phase Transformations  705
22.4 Thin Films and Multilayers  707
   22.4.1 Thin Films  707
   22.4.2 Multilayers  709
22.5 Developing Areas  711
References  712

23 Atomistic Computer Simulations of Nanotribology   717

23.1 Molecular Dynamics  718
   23.1.1 Model Potentials  719
   23.1.2 Maintaining Constant Temperature  720
   23.1.3 Imposing Load and Shear  721
   23.1.4 The Time-Scale and Length-Scale Gaps  721
   23.1.5 A Summary of Possible Traps  722
23.2 Friction Mechanisms at the Atomic Scale  723
   23.2.1 Geometric Interlocking  723
   23.2.2 Elastic Instabilities  724
   23.2.3 Role of Dimensionality and Disorder  727
   23.2.4 Elastic Instabilities vs. Wear in Atomistic Models  727
   23.2.5 Hydrodynamic Lubrication and Its Confinement-Induced Breakdown  729
   23.2.6 Submonolayer Films  731
23.3 Stick-Slip Dynamics  732
23.4 Conclusions  734
References  735

24 Mechanics of Biological Nanotechnology   739

24.1 Science at the Biology-Nanotechnology Interface  740
   24.1.1 Biological Nanotechnology  740
   24.1.2 Self-Assembly as Biological Nanotechnology  740
   24.1.3 Molecular Motors as Biological Nanotechnology  740
   24.1.4 Molecular Channels and Pumps as Biological Nanotechnology  741
   24.1.5 Biologically Inspired Nanotechnology  742
   24.1.6 Nanotechnology and Single Molecule Assays in Biology  743
   24.1.7 The Challenge of Modeling the Bio-Nano Interface  744
24.2 Scales at the Bio-Nano Interface  746
   24.2.1 Spatial Scales and Structures  747
   24.2.2 Temporal Scales and Processes  749
   24.2.3 Force and Energy Scales: The Interplay of Deterministic and Thermal Forces  750
24.3 Modeling at the Nano-Bio Interface  752
   24.3.1 Tension Between Universality and Specificity  752
   24.3.2 Atomic-Level Analysis of Biological Systems  753
   24.3.3 Continuum Analysis of Biological Systems  753
24.4 NatureТs Nanotechnology Revealed: Viruses as a Case Study  755
24.5 Concluding Remarks  760
References  761

25 Mechanical Properties of Nanostructures   763

25.1 Experimental Techniques for Measurement of Mechanical Properties of Nanostructures  765
   25.1.1 Indentation and Scratch Tests Using Micro/Nanoindenters  765
   25.1.2 Bending Tests of Nanostructures Using an AFM  765
   25.1.3 Bending Tests Using a Nanoindenter  769
25.2 Experimental Results and Discussion  770
   25.2.1 Indentation and Scratch Tests of Various Materials Using Micro/Nanoindenters  770
   25.2.2 Bending Tests of Nanobeams Using an AFM  773
   25.2.3 Bending Tests of Microbeams Using a Nanoindenter  777
25.3 Finite Element Analysis of Nanostructures with Roughness and Scratches  778
   25.3.1 Stress Distribution in a Smooth Nanobeam  779
   25.3.2 Effect of Roughness in the Longitudinal Direction  781
   25.3.3 Effect of Roughness in the Transverse Direction and Scratches  781
   25.3.4 Effect on Stresses and Displacements for Materials That Are Elastic, Elastic-Plastic, or Elastic-Perfectly Plastic  784
25.4 Closure  785
References  786

Part D Molecularly Thick Films for Lubrication


26 Nanotribology of Ultrathin and Hard Amorphous Carbon Films   791

26.1 Description of Commonly Used Deposition Techniques  795
   26.1.1 Filtered Cathodic Arc Deposition Technique  798
   26.1.2 Ion Beam Deposition Technique  798
   26.1.3 Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition Technique  799
   26.1.4 Sputtering Deposition Technique  799
   26.1.5 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition Technique  799
26.2 Chemical Characterization and Effect of Deposition Conditions on Chemical Characteristics and Physical Properties  800
   26.2.1 EELS and Raman Spectroscopy  800
   26.2.2 Hydrogen Concentrations  804
   26.2.3 Physical Properties  804
   26.2.4 Summary  805
26.3 Micromechanical and Tribological Characterizations of Coatings Deposited by Various Techniques  805
   26.3.1 Micromechanical Characterization  805
   26.3.2 Microscratch and Microwear Studies  813
   26.3.3 Macroscale Tribological Characterization  822
   26.3.4 Coating Continuity Analysis  826
References  827

27 Self-Assembled Monolayers for Controlling Adhesion, Friction and Wear   831

27.1 A Primer to Organic Chemistry  834
   27.1.1 Electronegativity/Polarity  834
   27.1.2 Classification and Structure of Organic Compounds  835
   27.1.3 Polar and Nonpolar Groups  838
27.2 Self-Assembled Monolayers: Substrates, Head Groups, Spacer Chains, and End Groups  839
27.3 Tribological Properties of SAMs  841
   27.3.1 Surface Roughness and Friction Images of SAMs Films  844
   27.3.2 Adhesion, Friction, and Work of Adhesion  844
   27.3.3 Stiffness, Molecular Spring Model, and Micropatterned SAMs  848
   27.3.4 Influence of Humidity, Temperature, and Velocity on Adhesion and Friction  850
   27.3.5 Wear and Scratch Resistance of SAMs  853
27.4 Closure  856
References  857

28 Nanoscale Boundary Lubrication Studies   861

28.1 Lubricants Details  862
28.2 Nanodeformation, Molecular Conformation, and Lubricant Spreading  864
28.3 Boundary Lubrication Studies  866
   28.3.1 Friction and Adhesion  866
   28.3.2 Rest Time Effect  869
   28.3.3 Velocity Effect  871
   28.3.4 Relative Humidity and Temperature Effect  873
   28.3.5 Tip Radius Effect  876
   28.3.6 Wear Study  879
28.4 Closure  880
References  881

29 Kinetics and Energetics in Nanolubrication   883

29.1 Background: From Bulk to Molecular Lubrication  885
   29.1.1 Hydrodynamic Lubrication and Relaxation  885
   29.1.2 Boundary Lubrication  885
   29.1.3 Stick Slip and Collective Phenomena  885
29.2 Thermal Activation Model of Lubricated Friction  887
29.3 Functional Behavior of Lubricated Friction  888
29.4 Thermodynamical Models Based on Small and Nonconforming Contacts  890
29.5 Limitation of the Gaussian Statistics - The Fractal Space  891
29.6 Fractal Mobility in Reactive Lubrication  892
29.7 Metastable Lubricant Systems in Large Conforming Contacts  894
29.8 Conclusion  895
References  895

Part E Industrial Applications and Microdevice Reliability


30 Nanotechnology for Data Storage Applications   899

30.1 Current Status of Commercial Data Storage Devices  901
   30.1.1 Non-Volatile Random Access Memory  904
30.2 Opportunities Offered by Nanotechnology for Data Storage  907
   30.2.1 Motors  907
   30.2.2 Sensors  909
   30.2.3 Media and Experimental Results  913
30.3 Conclusion  918
References  919

31 The УMillipedeФ - A Nanotechnology-Based AFM Data-Storage System   921

31.1 The Millipede Concept  923
31.2 Thermomechanical AFM Data Storage  924
31.3 Array Design, Technology, and Fabrication  926
31.4 Array Characterization  927
31.5 x/y/z Medium Microscanner  929
31.6 First Write/Read Results with the 32?32 Array Chip  931
31.7 Polymer Medium  932
   31.7.1 Writing Mechanism  932
   31.7.2 Erasing Mechanism  935
   31.7.3 Overwriting Mechanism  937
31.8 Read Channel Model  939
31.9 System Aspects  943
   31.9.1 [peserror]PES Generation for the Servo Loop  943
   31.9.2 Timing Recovery  945
   31.9.3 Considerations on Capacity and Data Rate  946
31.10 Conclusions  948
References  948

32 Microactuators for Dual-Stage Servo Systems in Magnetic Disk Files   951

32.1 Design of the Electrostatic Microactuator  952
   32.1.1 Disk Drive Structural Requirements  952
   32.1.2 Dual-Stage Servo Configurations  953
   32.1.3 Electrostatic Microactuators: Comb-Drives vs. Parallel-Plates  954
   32.1.4 Position Sensing  956
   32.1.5 Electrostatic Microactuator Designs for Disk Drives  958
32.2 Fabrication  962
   32.2.1 Basic Requirements  962
   32.2.2 Electrostatic Microactuator Fabrication Example  962
   32.2.3 Electrostatic Microactuator Example Two  963
   32.2.4 Other Fabrication Processes  966
   32.2.5 Suspension-Level Fabrication Processes  967
   32.2.6 Actuated Head Fabrication  968
32.3 Servo Control Design of MEMS Microactuator Dual-Stage Servo Systems  968
   32.3.1 Introduction to Disk Drive Servo Control  969
   32.3.2 Overview of Dual-Stage Servo Control Design Methodologies  969
   32.3.3 Track-Following Controller Design for a MEMS Microactuator Dual-Stage Servo System  971
   32.3.4 Dual-Stage Seek Control Design  976
32.4 Conclusions and Outlook  978
References  979

33 Micro/Nanotribology of MEMS/NEMS Materials and Devices   983

33.1 Introduction to MEMS  985
33.2 Introduction to NEMS  988
33.3 Tribological Issues in MEMS/NEMS  989
   33.3.1 MEMS  989
   33.3.2 NEMS  994
   33.3.3 Tribological Needs  995
33.4 Tribological Studies of Silicon and Related Materials  995
   33.4.1 Tribological Properties of Silicon and the Effect of Ion Implantation  996
   33.4.2 Effect of Oxide Films on Tribological Properties of Silicon  998
   33.4.3 Tribological Properties of Polysilicon Films and SiC Film  1000
33.5 Lubrication Studies for MEMS/NEMS  1003
   33.5.1 Perfluoropolyether Lubricants  1003
   33.5.2 Self-Assembled Monolayers (SAMs)  1004
   33.5.3 Hard Diamond-like Carbon (DLC) Coatings  1008
33.6 Component-Level Studies  1009
   33.6.1 Surface Roughness Studies of Micromotor Components  1009
   33.6.2 Adhesion Measurements  1011
   33.6.3 Static Friction Force (Stiction) Measurements in MEMS  1014
   33.6.4 Mechanisms Associated with Observed Stiction Phenomena
in Micromotors  1016
References  1017

34 Mechanical Properties of Micromachined Structures   1023

34.1 Measuring Mechanical Properties of Films on Substrates  1023
   34.1.1 Residual Stress Measurements  1023
   34.1.2 Mechanical Measurements Using Nanoindentation  1024
34.2 Micromachined Structures for Measuring Mechanical Properties  1024
   34.2.1 Passive Structures  1025
   34.2.2 Active Structures  1028
34.3 Measurements of Mechanical Properties  1034
   34.3.1 Mechanical Properties of Polysilicon  1034
   34.3.2 Mechanical Properties of Other Materials  1036
References  1037

35 Thermo- and Electromechanics of Thin-Film Microstructures   1039

35.1 Thermomechanics of Multilayer Thin-Film Microstructures  1041
   35.1.1 Basic Phenomena  1041
   35.1.2 A General Framework for the Thermomechanics of Multilayer Films  1046
   35.1.3 Nonlinear Geometry  1054
   35.1.4 Nonlinear Material Behavior  1058
   35.1.5 Other Issues  1061
35.2 Electromechanics of Thin-Film Microstructures  1061
   35.2.1 Applications of Electromechanics  1061
   35.2.2 Electromechanics Analysis  1063
   35.2.3 Electromechanics - Parallel-Plate Capacitor  1064
   35.2.4 Electromechanics of Beams and Plates  1066
   35.2.5 Electromechanics of Torsional Plates  1068
   35.2.6 Leveraged Bending  1069
   35.2.7 Electromechanics of Zipper Actuators  1070
   35.2.8 Electromechanics for Test Structures  1072
   35.2.9 Electromechanical Dynamics: Switching Time  1073
   35.2.10 Electromechanics Issues: Dielectric Charging  1074
   35.2.11 Electromechanics Issues: Gas Discharge  1075
35.3 Summary and Mention of Topics not Covered  1078
References  1078

36 High Volume Manufacturing and Field Stability

36.1 Manufacturing Strategy  1086
   36.1.1 Volume  1086
   36.1.2 Standardization  1086
   36.1.3 Production Facilities  1086
   36.1.4 Quality  1087
   36.1.5 Environmental Shield  1087
36.2 Robust Manufacturing  1087
   36.2.1 Design for Manufacturability  1087
   36.2.2 Process Flow and Its Interaction with Product Architecture  1088
   36.2.3 Microstructure Release  1095
   36.2.4 Wafer Bonding  1095
   36.2.5 Wafer Singulation  1097
   36.2.6 Particles  1098
   36.2.7 Electrostatic Discharge and Static Charges  1098
   36.2.8 Package and Test  1099
   36.2.9 Quality Systems  1101
36.3 Stable Field Performance  1102
   36.3.1 Surface Passivation  1102
   36.3.2 System Interface  1105
References  1106

37 MEMS Packaging and Thermal Issues in Reliability   1111

37.1 MEMS Packaging  1111
   37.1.1 MEMS Packaging Fundamentals  1112
   37.1.2 Contemporary MEMS Packaging Approaches  1113
37.2 Hermetic and Vacuum Packaging and Applications  1116
   37.2.1 Integrated Micromachining Processes  1117
   37.2.2 Post-Packaging Processes  1118
   37.2.3 Localized Heating and Bonding  1119
37.3 Thermal Issues and Packaging Reliability  1122
   37.3.1 Thermal Issues in Packaging  1122
   37.3.2 Packaging Reliability  1124
   37.3.3 Long-Term and Accelerated MEMS Packaging Tests  1125
37.4 Future Trends and Summary  1128
References  1129

Part F Social and Ethical Implication


38 Social and Ethical Implications of Nanotechnology   1135

38.1 Applications and Societal Impacts  1136
38.2 Technological Convergence  1139
38.3 Major Socio-technical Trends  1141
38.4 Sources of Ethical Behavior  1143
38.5 Public Opinion  1145
38.6 A Research Agenda  1148


References  1149
Acknowledgements  1153
About the Authors  1155
Detailed Contents  1171
Subject Index  1189
ќбщее количество гиперссылок.
List_of_the_files_for_downloads.htm
¬нимание
       Ётот файл предначначен   дл¤ работы с книгой формата DJVU(Indirect) в режиме ON-LINE
ѕереход   по   гиперссылкам      
ѕереход к предметному указателю( к Index)
A  B  C  D  E  F  G  H  I  J  K  L  M  N  O  P  Q  R  S  T  U  V  W  X  Y  Z 
Сайт создан в системе uCoz