Аморфные и наноматериалы 1. Технологии получения аморфных материалов 2. Наноматериалы и их технологии

3.1. Аморфные материалы. Металлические материалы представляет собой одно-двух или поликристаллические сплавы. Сталь, чугун, дуралюмин, латунь и т.п. люди используют давно, но новые потребности могут удовлетворить только новые материалы. Основа у материалов зачастую та же самая, что у поликристаллических материалов, но приготовленные по другой технологии, они приобретают новые свойства. Некоторые технологии мы сейчас и рассмотрим

Для получения аморфного материала из газовой фазы нужно, чтобы кинетическая энергия осаждаемого атома не превышала энергии связи атомов на подложке. Малоподвижные атомы укладываются на подложку случайно, а значит бес структурно. Подвижные атомы могли бы подвигавшись, создать более энергетически выгодную структуру. Достоинства – высокая скорость охлаждения, что обеспечивает консервацию аморфного состояния. Недостатки – низкая скорость нарастания аморфного слоя, требования к высокому вакууму, возможность попадания атомов откачиваемой атмосферы на подложку. Конкретные технологии: Термическое испарение в вакууме Лазерное или электронно-лучевое испарение Плазменное испарение Катодное распыление Плазмохимия, т.е. разложение в тлеющем разряде Получение из газовой фазы

Аморфные вещества получают реакциями осаждения из раствора. Если условия меняются очень быстро, то может не успеть организоваться кристаллическая структура и она будет аморфной. Методы: Выпаривание. Добавка осадителей, например к полярному растворителю – неполярный, или к неполярному – полярный. Электролитическое осаждение. Здесь добавляют в ванную с электролитом фосфор или бор. Они способствуют формированию некристаллических металлов. Термическое разложение геля. Получение из растворов.

Получение из кристаллической фазы 1. Самое тривиальное – быстро нагреть и быстро же охладить. Либо другие сильные воздействия при которых атомы могут покидать свои равновесные положения. 2. Твердофазные реакции. 3. Сильные механические воздействия, например в планетарной, либо вибрационной мельнице, когда механическая разупорядоченность на поверхности может распространяться вглубь материала. Например дислокации, которых образуется настолько много, что говорить об кристаллическом материале не имеет смысла. 4. Облучение поверхности нейтронами, либо бомбардировка ионами (например ионная имплантация). Воздействие ударной волны.

Получение из расплавов Для получения стекол из расплавов требуется высокая вязкость. Как мы рассматривали ранее, кристаллизация происходит через образование и рост зародышей новой фазы. Если вязкость высока, то молекулам требуется значительное время для построения кристаллов. Если охладить быстро, то кристаллическая структура не успевает выстроиться. Пример с двуокисью кремния SiO 2. T пл 1722 С, Т стекл 1222 С, вязкость при Т пл 1 МПА.с. (Кислород, сера, селен-халькогены). Халькогенидные стекла – соединения с другими элементами. Типичные композиции: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te и др. Высокая вязкость делает соединения аморфными, либо стеклами.

Металлические стекла Металлические стекла получаются: сверхбыстрой закалкой; очень быстрым охлаждением; распыление газом К/с; Центрифугирование Диспергирование Охлаждение в газе – медленное, в жидкости до 10 5 К/с, На металле – до 10 8 К/с. Разбрызгивание выстрелом, плазменное распыление, литье на цилиндр, литье на центрифугу, вращающийся цилиндр в ванне. Прокатка между двух валков. Всасывание в капилляр под вакуумом, продавливание через фильеру с охлаждением в оболочке. Способы сварки лазерным облучением, использованием высоковольтной искры, газового разряда, электронного луча – до К/С

Наноматериалы Нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах. Так, в США действует программа Национальная нанотехнологическая инициатива (бюджет ~500 млн долл.). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой нано-. Cложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще круче.

Основы нанотехнологий nanos, переводится как карлик Диапазон нанообъектов - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 10 9 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов. Вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Нынче быстродействие компьютеров ~ 1 нс/операцию. Размер 45 нм. При уменьшении размеров можно уменьшить во много раз.

Нанотехнологии и их связи

Соотношение «поверхностных» и «объемных» атомов Доля атомов a, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R, поскольку a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/R (здесь S - поверхность частички, V - ее объем). Общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от объемных, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. Приповерхностный слой можно считать как некое новое состояние вещества.

Пояснения к предыдущему слайду Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов. 1 - осциллирующий характер изменения свойств, 2 - рост характеристики с насыщением, 3 - рост характеристики с максимумом. Наконец, если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей

Биофизики создали нано электронный прибор на основе одной органической молекулы В Аризонском государственном университете создали электронный прибор, состоящий из единственной органической молекулы. Цепочка из семи анилиновых фрагментов ведет себя как резистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Результат работы биофизиков может быть использован в наноэлектронике.

Что как получают Высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности интегрированные микроэлектромеханические устройства, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

Прочность разных структур

Динамика Динамика развития электроники

Глаза и пальцы нанотехнологии Зонд, хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующий механизм, способный перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по х и y и на единицы микрометров - по z.

Известные в настоящее время методы – сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~ В) и регистрируется ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца; – атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере; – ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света.

Нанонаука в НГТУ Атомно силовой микроскоп. Проф. Величко собирал из отдельных молекул слово «НГТУ»!

Что впереди? Первый шаг в этом направлении - создание микро-нано- электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нано проводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нано насосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см 2. Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).

Военные применения Министерство обороны США, например, финансирует программу создания Smart dust - умной пыли, т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.

Солдат с экзоскелетом и наноброней Умная пыль

Боевой робот-шершень. Фото с сайта Micromechanical Flying Insect.

Медицина Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-доктора, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм( , нынче, 2008 – 0.2 мм), и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.

Заключение Познакомились с аморфными материалами и наноматериалами. Благодарю за внимание!