Дмитрий Соколов - Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий

2. Патент RU2170788. Ценная бумага. 14.04.2000.

Уникальные свойства нанообъектов позволили создать на их основе новые устройства. Например, углеродные нанотрубки (УНТ), имея минимальный радиус закругления (единицы нанометров), могут использоваться в качестве высокостабильных катодов, автоэмиттирующих электроны. Это связано с тем, что предел текучести графеновых слоев, из которых состоят нанотрубки, на порядок выше аналогичных параметров самых прочных металлических и полупроводниковых материалов [1]. Например, удельная прочность УНТ составляет 4 ГПа (у стали 0,4 ГПа), удельный модуль упругости УНТ – 400 ГПа (у стали – 26 ГПа). Кроме этого, можно изготавливать массивы УНТ с незначительной дисперсией их диаметров в рамках одного процесса [2]. Также графеновые стенки нанотрубок имеют более высокую по сравнению с кремнием и германием термостойкость [1]. Все это позволяет на основе УНТ создавать плоские экраны дисплеев с высоким разрешением, мощные высокоэффективные осветительные приборы, а также усилители катодно-сеточных узлов вакуммных радиоламп и генераторов СВЧ-диапазона. Кроме этого, показана принципиальная возможность создания различных устройств наноэлектроники с использованием УНТ [3]. Причем, характеристики УНТ по сравнению с традиционно используемыми автоэмиттирующими остриями [4] принципиально улучшили эти приборы.

Тем не менее, при патентовании многих устройств на основе УНТ, если ограничиться введением в первый независимый пункт формулы изобретения только использование нанотрубок, то, сославшись на известные свойства нанотрубок, экспертиза может подвергнуть сомнению изобретательский уровень технического решения. Например, в заявке на усилитель-преобразователь [5] отличительный признак «выполнение катода на основе УНТ» был дополнен вариантом выполнения базовой основы катода 1 (рис. 6.1) на основе нано– или микроструктурированного алмаза 2, а пространство между нанотрубками 3 было заполнено алмазоподобной пленкой 4. Это повысило эффективность работы устройства, а также его изобретательский уровень.

Примером использования нанообъектов в нанотехнологических устройствах могут служить зонды, имеющие сенсорные элементы с радиусом закругления в несколько нанометров и предназначенные для получения атомарного разрешения. В 1992 г. был разработан способ изготовления сенсорных элементов в виде нитевидных кристаллов [6].

Рис. 6.1.Усилитель-преобразователь: 1 – основа катода; 2 – нано– или микроструктурированный алмаз; 3 – нанотрубки; 4 – алмазоподобная пленка

Рис. 6.2.Способ формирования сенсорных элементов: 1– электронный луч; 2 – зонд; 3 – углеродосодержащий материал; 4 – нитевидный кристалл; 5 – дополнительный электронный луч

Суть способа заключалась в том, что электронный луч 1 (рис. 6.2) фокусируют на зонде 2, который содержит углеродосодержащий материал 3 (более точно на край этого материала) и из которого по направлению перемещения фокуса луча 1 в сторону от зонда 2 формируется нитевидный кристалл 4.

Данный способ не позволял контролируемо наносить исходный материал 3 на кончик зонда 2, а также не позволял управлять динамикой роста нитевидных кристаллов. Это было связано с тем, что на их поверхности образовывались зоны положительного заряда, которые искажали форму кристаллов. Этот недостаток был устранен введением «высокотехнологичного» признака – дополнительного электронного луча 5 для снятия положительного заряда с поверхности сенсорного элемента 4 через зонд 2 и введением «обыкновенного» признака нанесения исходного материала 3 из парогазовой фазы на специально обработанную поверхность зонда 2, имеющую заданные значения смачиваемости и шероховатости. Для повышения изобретательского уровня был использован ультразвук, как инициатор роста нитевидных кристаллов и контроль их роста по резонансной частоте колебаний [7].

Второй вариант формирования зондов также использовал элементы нанотехнологии для выполнения нитевидных кристаллов 4 разной формы: конусообразной, изогнутой, Т-образной (не показаны) и различные их покрытия. Кроме этого, были использованы традиционные микроэлектронные технологии формирования зонда 2, откуда начинается рост сенсорного элемента [8].

Литература

1. Liu X., Lee С., Han S., И С., Zhou С. Carbon nanotubes: synthesis, devices, and integrated systems. – Molecular nanoelectronics. American Science Publishers, 2003, p. 120.

2. Bonard J.M. et. al. Field emission from carbon nanotubes: the first five years. – Solid Etste Electronics, 2001, v. 45, p. 893–914.

3. Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. – М.: Техносфера, 2005. – 148 с.

4. Патент US3622828. Flat Display Tube with Addressable. 23.11.1971.

5. Заявка RU2009100269. Усилитель-преобразователь. 11.01.2009.

6. Aristov Y.Y., Kislov Y.A., Khodos 1.1. Direct electron-beam-induced formation of nanometer-scale carbon in STEM. – Microsc. Microannal. Microstruct, 1992, 3, p. 313–321.

7. Патент RU2220429. Способ формирования сенсорного элемента сканирующего зондового микроскопа. 22.05.2000.

Создание оборудования и технологии, включающих достижения различных областей знаний, часто приводит к интересным результатам при относительно небольших интеллектуальных и материальных затратах. Дело в том, что когда поиск новых решений идет в рамках одного направления, то чаще всего эти решения возникают при усложнении известных систем. В случае объединения двух разных технологий новое может возникать автоматически, при этом сами технологии берутся практически готовыми либо слегка адаптированными друг к другу. То есть, каких-либо особых трудностей при разработке новых комплексов на основе известных устройств и способов из разных областей обычно не возникает. А вот их патентование – далеко не простая задача. Пример этого хорошо иллюстрирует объединение криотома и сканирующего зондового микроскопа. Криотом – это устройство, в котором образец замораживается при азотных температурах (—190 °C), после этого осуществляется его срез. Далее по стандартной технологии образец со срезанной поверхностью помещают в жидкий азот, переносят в растровый электронный микроскоп и устанавливают на предметный столик. После этого, вакуумируя рабочий объем микроскопа, производят измерение срезанной поверхности образца. Данный процесс долог во времени, достаточно сложен, а сама измеряемая поверхность образца может претерпеть изменения от момента ее среза до начала измерения. Эти недостатки были устранены в патенте [1], где были объединены криотом и СЗМ. Внутри криокамеры 1 (рис. 7.1) с ножом 2 и образцом 3, расположенном на подвижном элементе 4, был установлен СЗМ 5 с зондом 6. В данной конструкции измерение срезанной поверхности образца 3 может проводиться сразу после его среза, подведя зонд 6 устройством предварительного сближения 7 к зоне измерения на образце 3.