Lecture Presented at Solid State Nuclear Track Detectors (SSNTD) Conference held at GND University held at Amritsar 2oo9. It deals with Ion Tracks Route to Nanotechnology.

1. My Journey from Ion Track
Technology to Nanotechnology
Hardev Singh Virk
Professor Emeritus
Eternal University, Baru Sahib,
HP, India

2. History of Nuclear Tracks
Rutherford’s discovery Alpha tracks:1906
(Wilson Cloud chamber used as a detector)
Ruchi Ram Sahni studied Alpha tracks in
Nuclear Emulsion in Rutherford Lab.1915
Discovery of Pi Mesons by C.F. Powel using
Nuclear Emulsions in Bristol 1940s
Beva Chowdhary used N. Emulsions for
study of Pi mesons in Calcutta University.
D.Lal, Y.Pal & B.Peters in TIFR used
NE:1950s

3. Routes to Nanotechnology
• Physical, chemical, biological and nature’s self
assembly.
• Top-down and bottom-up approaches.
• Chemical route to nanotechnology is simpler,
cheaper and allows fabrication at bench top
conditions.
• Reverse micelles (microemulsions route) is a
versatile method to produce a variety of
nanoparticles.

4. My Route to Nanotechnology
• Ion Track Technology Route using Heavy Ion
Beams from GSI, Darmstadt & JINR, Dubna.
• Chemical Route of Reverse micelles, co-precipitation,
solvo-thermal, sol-gel and seed
growth techniques.
• Quantum dots, nanorods and nanoneedles of
Barium Carbonate, Barium Oxalate, Iron Oxalate,
Barium hexaferrite, Zinc Oxide, Cadmium
Sulphide, Cadmium Oxide and Silver prepared.

5. IIoonn TTrraacckk TTeecchhnnoollooggyy
 IIoonn TTrraacckk TTeecchhnnoollooggyy [[11]] wwaass ddeevveellooppeedd aatt GGSSII,,
DDaarrmmssttaaddtt.. IIoonn TTrraacckk FFiilltteerrss ((IITTFFss)) oorr TTrraacckk--eettcchheedd
mmeemmbbrraanneess bbeeccaammee pprreeccuurrssoorrss ttoo ddeevveellooppmmeenntt ooff
nnaannootteecchhnnoollooggyy dduurriinngg 11999900ss.. IITTFFss wweerree pprreeppaarreedd
bbyy bboommbbaarrddmmeenntt ooff tthhiinn ppoollyymmeerr ffooiillss uussiinngg hheeaavvyy
iioonnss.. OOnnee ooff tthhee ffiirrsstt aapppplliiccaattiioonnss ooff IITTFFss wwaass
sseeppaarraattiioonn ooff ccaanncceerr bblloooodd cceellllss ffrroomm nnoorrmmaall bblloooodd
bbyy mmaakkiinngg uussee ooff NNuucclleeppoorree ffiilltteerrss.. AAuutthhoorr’’ss ggrroouupp
uusseedd hheeaavvyy iioonn bbeeaamm ffaacciilliittyy aavvaaiillaabbllee aatt GGSSII
UUNNIILLAACC,, DDaarrmmssttaaddtt dduurriinngg 11998800ss ffoorr IIoonn BBeeaamm
MMooddiiffiiccaattiioonn ooff MMaatteerriiaallss aanndd ttoo pprreeppaarree IITTFFss iinn oouurr
llaabboorraattoorryy..
 [[11]] RR.. SSppoohhrr:: IIoonn TTrraacckkss aanndd MMiiccrrootteecchhnnoollooggyy:: PPrriinncciipplleess aanndd AApppplliiccaattiioonnss
((VViieewweegg PPuubblliiccaattiioonnss,, WWeeiissbbaaddeenn GGeerrmmaannyy,, 11999900))

6. UNILAC at GSI Darmstadt (Germany)

7. Nuclear Tracks in Solids: Principles &
Applications( Fleischer, Price & Walker, 1975)

10. IIoonn TTrraacckkss aass SSttrruuccttuurriinngg TToooollss
 IIoonn ttrraacckkss aarree ccrreeaatteedd wwhheenn hhiigghh--eenneerrggeettiicc hheeaavvyy
iioonnss wwiitthh eenneerrggyy ooff aabboouutt 11 MMeeVV//nnuucclleeoonn ((ee..gg.. 114400
MMeeVV XXee iioonnss)) ppaassss tthhrroouugghh mmaatttteerr.. TThhee eexxttrreemmeellyy
hhiigghh llooccaall eenneerrggyy ddeeppoossiittiioonn aalloonngg tthhee ppaatthh lleeaaddss ttoo
aa mmaatteerriiaall ttrraannssffoorrmmaattiioonn wwiitthhiinn aa nnaarrrrooww ccyylliinnddeerr ooff
aabboouutt 1100 nnmm wwiiddtthh.. UUnnlliikkee iinn tthhee mmoorree ccoonnvveennttiioonnaall
lliitthhooggrraapphhiicc tteecchhnniiqquueess bbaasseedd oonn iioonn oorr eelleeccttrroonn
bbeeaamm iirrrraaddiiaattiioonn,, aa ssiinnggllee hheeaavvyy iioonn ssuuffffiicceess ttoo
ttrraannssffoorrmm tthhee mmaatteerriiaall..

11. RReevveellaattiioonn ooff IIoonn TTrraacckkss
 LLaatteenntt ttrraacckkss wweerree ffiirrsstt oobbsseerrvveedd iinn MMiiccaa bbyy EElleeccttrroonn
MMiiccrroossccooppee wwiitthh ddiiaammeetteerr rraannggee ooff 5500--110000 AAnnggssttrroomm
((55--1100nnmm))..
 CChheemmiiccaall eettcchhiinngg wwaass ffiirrsstt uusseedd bbyy DDAA YYoouunngg iinn
HHaarrwweellll ((11995588)) ttoo rreevveeaall ffiissssiioonn ffrraaggmmeenntt ttrraacckkss iinn
LLiiFF aanndd MMiiccaa.. TThheeyy ccaann bbee oobbsseerrvveedd uussiinngg OOppttiiccaall
MMiiccrroossccooppee.. IIoonn ttrraacckkss ccaann bbee rreeccoorrddeedd iinn aallmmoosstt aallll
IInnssuullaattoorrss(( ppoollyymmeerrss,, ggllaasssseess,, iinnoorrggaanniicc ccrryyssttaallss))
aanndd ssoommee SSeemmii--ccoonndduuccttoorrss..

12. LLaatteenntt PPbb--IIoonn TTrraacckkss iinn MMiiccaa

13. SSiizzee ooff EEttcchheedd IIOONN TTrraacckkss

14. LLaarrggee EEttcchheedd IIoonn TTrraacckkss

15. HHooww ttoo UUssee IIoonn TTrraacckkss
 TThheerree aarree eesssseennttiiaallllyy ttwwoo wwaayyss ttoo uussee iioonn ttrraacckkss ffoorr
nnaannoossttrruuccttuurriinngg.. TThhee ffiirrsstt iiss bbaasseedd oonn ttrraacckk eettcchhiinngg
aass uusseedd iinn tthhee ffiilltteerr pprroodduuccttiioonn,, ii..ee.. oonnee iirrrraaddiiaatteess aa
ppoollyymmeerr ffooiill aanndd eettcchheess tthhee ttrraacckkss ttoo ccrreeaattee tthhiinn
ppoorreess iinn tthhee ffooiill.. TThheessee ppoorreess aarree ssuubbsseeqquueennttllyy ffiilllleedd
wwiitthh aann aapppprroopprriiaattee mmaatteerriiaall ttoo mmaakkee
nnaannoossttrruuccttuurreess.. IInn tthhiiss pprroocceessss,, tthhee ppoollyymmeerr ffooiill
sseerrvveess aass aa tteemmppllaattee aanndd ccaann bbee rreemmoovveedd
((ddiissssoollvveedd)) iiff rreeqquuiirreedd..
 TThhee sseeccoonndd mmeetthhoodd uusseess tthhee iioonn ttrraacckkss ddiirreeccttllyy
wwiitthhoouutt aaddddiittiioonnaall eettcchhiinngg aanndd rreeffiilllliinngg sstteeppss.. TThhiiss
mmeetthhoodd iiss ssiimmpplleerr tthhaann tthhee tteemmppllaattee tteecchhnniiqquuee ssiinnccee
nnoo ffiilllliinngg ooff tthhee ppoorreess iiss rreeqquuiirreedd,, bbuutt iittss ssccooppee iiss
lliimmiitteedd..

16. Nanowire Fabrication
 Template synthesis using polymer and anodic
alumina membranes
 Electrochemical deposition
 Ensures fabrication of electrically continuous wires
since it only takes place on conductive surfaces
 Applicable to a wide range of materials
 High pressure injection
 Limited to elements and heterogeneously-melting
compounds with low melting points
 Does not ensure continuous wires
 Does not work well for diameters < 30-40 nm
 Chemical Vapor Deposition (CVD) or VLS technique
 Laser assisted techniques

17. Polymer Template Synthesis of Nanowires

18. Anodic alumina (Al2O3) Template
(T. Sands/ HEMI group http://www.mse.berkeley.edu/groups/Sands/HEMI/nanoTE.html)
alumina template
Si substrate 100nm
(M. Sander)

19. EElleeccttrroollyyttiicc CCeellll

20. TTeemmppllaattee SSyynntthheessiiss ooff CCooppppeerr NNaannoowwiirreess
 TThhee ccoonncceepptt ooff eelleeccttrroo--ddeeppoossiittiioonn ooff mmeettaallss tthhrroouugghh
eelleeccttrrooppllaattiinngg iiss ddeessccrriibbeedd aass aann eelleeccttrroocchheemmiiccaall
pprroocceessss.. TThhee eettcchheedd ppoorreess ooff IITTFFss uusseedd wwoouulldd aacctt
aass aa tteemmppllaattee.. TThhee eelleeccttrroollyyttee uusseedd hheerree wwaass
CCuuSSOO44..55HH22OO aacciiddiicc ssoolluuttiioonn.. TThhee rraattee ooff ddeeppoossiittiioonn
ooff mmeettaalllliicc ffiillmm ddeeppeennddss uuppoonn mmaannyy ffaaccttoorrss,, ii..ee..,,
ccuurrrreenntt ddeennssiittyy,, iinntteerr--eelleeccttrrooddee ddiissttaannccee,, cceellll
vvoollttaaggee,, eelleeccttrroollyyttee ccoonncceennttrraattiioonn aanndd tteemmppeerraattuurree
eettcc.. IInn tthhee pprreesseenntt sseett uupp eelleeccttrrooddee ddiissttaannccee wwaass
kkeepptt 00..55 ccmm aanndd aa ccuurrrreenntt ooff 00..00002255AA wwaass aapppplliieedd
ffoorr 5500 mmiinnuutteess.. TThhee ddeevveellooppeedd mmiiccrroossttrruuccttuurreess
wweerree ssccaannnneedd uunnddeerr SSEEMM ((JJeeooll,, JJSSMM--66110000)) ffoorr
mmoorrpphhoollooggiiccaall aanndd ssttrruuccttuurraall ssttuuddiieess..

21. AAFFMM iimmaaggee ooff hheexxaaggoonnaall ppoorreess ooff AAnnooddiicc
AAlluummiinnaa MMeemmbbrraannee ((AAAAMM))

22. SSEEMM IImmaaggeess ooff CCuu NNaannoowwiirreess uussiinngg
EElleeccttrrooddeeppoossiittiioonn TTeecchhnniiqquuee

23. CCooppppeerr NNaannoowwiirree BBuunnddlleess iinn AAAAMM

24. CCuu NNaannoowwiirreess uunnddeerr CCoonnssttaanntt CCuurrrreenntt

25. CCaappppiinngg EEffffeecctt ooff CCuurrrreenntt VVaarriiaattiioonn

26. CCooppppeerr LLiilllliieess ggrroowwnn dduuee ttoo oovveerr--
ddeeppoossiittiioonn ooff CCooppppeerr iinn AAAAMM

27. Copper Nanoflowers grown in Polymer
Template (100nm pores)

28. CCooppppeerr FFlloowweerr iinn PPoollyymmeerr TTeemmppllaattee

29. AA GGaarrddeenn ooff CCooppppeerr NNaannoofflloowweerrss

30. I-V Characteristics ooff CCooppppeerr NNaannoowwiirreess
ggrroowwnn iinn--ssiittuu iinn AAAAMM

31. SSEEMM IImmaaggee ooff CCddSS NNaannoowwiirreess

32. HHRRTTEEMM iimmaaggee sshhoowwiinngg CCddSS NNaannoowwiirree &&
HHeetteerroojjuunnccttiioonnss

33. I-V pplloott ooff CCddSS NNaannoowwiirree aarrrraayyss sshhoowwiinngg
RRTTDD cchhaarraacctteerriissttiiccss

34. SSEEMM iimmaaggee ooff CCuu--SSee NNaannoowwiirreess

35. CCuu--SSee nnaannoowwiirreess eexxhhiibbiitt pp--nn jjuunnccttiioonn
ddiiooddee cchhaarraacctteerriissttiiccss

36. TEM micrograph of CdO quantum
dots

37. CCoonnvveerrssiioonn ooff QQuuaannttuumm DDoottss ooff CCddOO ttoo
NNaannoorrooddss uussiinngg EEDDAA

38. SEM image of ZnO Nanocrystals in
Ethanol matrix and Nanorod

39. AAcckknnoowwlleeddggeemmeennttss
 RReeiimmeerr SSppoohhrr && CChhrriissttiinnaa TTrraauuttmmaann ((GGSSII,, DDaarrmmssttaaddtt))
 SSaannjjiitt AAmmrriittaa KKaauurr ((GGNNDD UUnniivveerrssiittyy,, AAmmrriittssaarr))
 VViisshhaall,, GGuurrmmiitt,, SSeehhddeevv && KKKK ((DDAAVVIIEETT,, JJaallaannddhhaarr))
 DDrr SSKK MMeehhttaa,, CChheemmiissttrryy DDeepptttt.. ((PPUU,, CChhaannddiiggaarrhh))
 CCSSIIOO CChhaannddiiggaarrhh && IIIITT RRoooorrkkeeee ffoorr FFEESSEEMM && TTEEMM ffaacciilliittyy..
 SSEEMM && TTEEMM ffaacciilliittyy ((SSAAIIFF,, PPUU,, CChhaannddiiggaarrhh))
 RRaajjeeeevv PPaattnnaaiikk ((GGeeoollooggyy DDeepptttt..,, PPUU,, CChhaannddiiggaarrhh))
 DDAAVV MMCC,, NNeeww DDeellhhii ffoorr RReesseeaarrcchh GGrraannttss..
 DDrr.. MMSS AAttwwaall,, VVCC,, EEtteerrnnaall UUnniivveerrssiittyy,, BBaarruu SSaahhiibb..

40. Thank You !!!