Введение в нанотехнологии Элективный курс в программу по физике для учащихся классов Работу выполнили ученики 11г: Муратов Р., Поляков Р.

Содержание курса Глава 1. Квантовые эффекты в нанотехнологиях Глава 2. Наноматериалы и технологии их получения Глава 3. Инструменты нанотехнологий Глава 4. Нанокластеры, квантовые точки Глава 5. Углеродные наноструктуры Глава 6. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки Глава 7. Наноэлектроника Глава 8. Микроэлектромеханические системы Глава 9. Нанотехнологии вокруг нас: реальность и перспектива

Глава 1 Квантовые эффекты в нанотехнологиях

Волновая природа частиц

Расположении энергетических уровней А) Атом

Эффект туннелирования в)в) Схема перехода частицы через потенциальный барьер: а – пример перехода через потенциальный барьер классической частицы, б – потенциальный барьер, в - волна электрона. h E < U б)б)а)а)

Эффект туннелирования А) БарьерБ) Квантовая яма Формирование квантовых барьеров (А) и квантовых ям (Б). валентная зона зона проводимости E g1 E g2 E g1 E g

Квантовые точки и квантовые нити А)Б) А) Квантовая точка InAs, полученная на подложке InP. Размер изображения 140 на 140 нм. Б) Квантовые нити, полученные реакцией метилфосфорной кислоты, этанола и алюминия. Размер изображения 8 на 8 мкм.

Глава 2 Наноматериалы и технологии их получения Наноматериалы – материалы с геометрическими особенностями размера

Классификация наноматериалов n наночастицы, n фуллерены, нанотрубки и нановолокна, n нанопористые структуры, n нанодисперсии, n наноструктурированные поверхности и пленки, n нанокристаллические материалы.

Наночастицы. Нанокластеры. Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 10 8 или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. Кластер железа с растущими углеродными нанотрубками Одиночный кластер железа Скопление кластеров железа

Фуллерены. Нанотрубки и нановолокна. n Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные каркасные структуры. n В 1991 году были обнаружены длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубок.

Нанопористые вещества n Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах нм. Выделяют микро, мезо- и макропористые материалы. n Пористость: Анодное получение пористого кремния 1-корпус, 2-пластина кремния, 3-катод, 4- изолятор, 5 –растущий пористый слой, 6-анод Модельное представление пористого кремния

Нанодисперсии n Нанодисперсии – системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами. Тонкодисперсный порошок с размером частиц не более 10 микрон из природного слоистого минерала серпентинит, получаемого при помощи тщательного измельчения (в различных масштабах увеличения)

Наноструктурированные поверхности и пленки n Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра – Блоджетт. n Пленки или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами. n Гетероструктура может состоять из последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько нанометров. n Гетероструктуры создают методом молекулярно-лучевой, газофазной, жидкостной эпитаксии, а также методом самосборки.

Нанокристаллические материалы n Кристаллические материалы, состоящие из наноразмерных блоков, называются объемными нанокристаллическими материалами. n Нанокристаллические материалы могут обладать рядом уникальных характеристик. Например, ряд нанокристаллических материалов обладают хорошей прочностью и пластичностью одновременно. n Уникальные механические свойства нанокристаллических материалов связаны с наличием границы раздела наночастиц, из которых собрано вещество. Граница раздела ведет себя как особое вещество, отличающееся от объемного вещества.

Технологии «снизу-вверх» n Технология «снизу-вверх» сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул. В большинстве технологий сборки наноматериалов из отдельных атомов лежит явление конденсации. n Конденсация (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) – переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое вследствие его охлаждения или сжатия. n При конденсационном методе получения наночастиц необходимо испарить из макроскопического тела атомы, из которых и будет проходить «сборка». Испарение можно произвести за счет термического или лазерного разогрева макроскопического тела. Испаренные атомы необходимо перенести в область пониженных температур, где и происходит их конденсация в наночастицы. n На основе явления конденсации получают фуллерены, углеродные трубки, нанокластеры и наночастицы различного размера.

Эпитаксия n В основе технологии эпитаксии лежит управляемая конденсация атомов на поверхности кристалла (подложки). n Эпитаксия (от греч. ерí – на, над и греч. táxis – расположение, порядок) – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксия кристаллов рутила на гематите: сам кристалл (фото) и отдельная структура кристалла (электронный микроскоп)

Технология «сверху-вниз» Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы можно получить перемалывая в специальной мельнице материал макроскопических размеров. Структура, полученная при помощи литографии

Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях n Как из отдельных атомов и молекул возникают сложные организмы и системы? Как появились первые живые существа на Земле? Для ответа на них нужно понять принципы возникновения более сложного из простого. Процесс возникновения сложных упорядоченных структур из более простых называется самоорганизацией. n Науку о самоорганизующихся системах называют 'синергетикой' (греч. sinergetike – совместное действие). Главная идея синергетики – идея о возможности возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Использование самоорганизации в нанотехнологиях n Одна из важнейших проблем, стоящих перед нанотехнологией, – заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. n Примером сборки сложнейших биологических объектов - ДНК.

Глава 3 Инструменты нанотехнологий

Предел увеличения оптических микроскопов Закон Релея – нельзя различить объекты размером меньше половины длинны волны света. Предел разрешения оптических микроскопов – 200 нм Увеличить разрешение можно путем использования излучения с длинной волны, меньшей чем у видимого света.

Электроны, в силу корпускулярно-волнового дуализма, обладают свойствами волнового излучения. Длина волны электрона с энергией в несколько десятков КэВ много меньше чем у видимого света. В то же время электроны – заряженные частицы, которыми можно управлять с помощью магнитных и электрических полей. Просвечивающая электронная микроскопия Схема работы просвечивающего электронного микроскопа

Сканирующая электронная микроскопия Электронный луч очень малой толщины сканирует поверхность образца. В каждой точке измеряется интенсивность потока отраженных электронов. На основе этих данных строится изображение поверхности Схема работы растрового электронного микроскопа. 1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор

Полевая ионная микроскопия Вместо электронов используются ионы с гораздо меньшей длинной волны, но поток ионов сильно повреждает наблюдаемый объект. Ионный проектор Прибор, где электрод одновременно служит наблюдаемым объектом Схема ионного проектора 1 жидкий водород; 2 жидкий азот; 3 остриё; 4 проводящее кольцо; 5 экран Изображение полученное с помощью ионного проектора

Сканирующая зондовая микроскопия Зонд – тонкая игла, с помощью которой поверхность образца «ощупывается» с чувствительностью, позволяющей обнаружить отдельные атомы. Обобщенная структурная схема сканирующего зондового микроскопа.

Атомно-силовая микроскопия Атомно-силовой микроскоп измеряет непосредственное силовое взаимодействие атомов на острие зонда с атомами образца Игла закреплена на конце тонкой упругой консоли. Измеряя прогиб консоли (кантилевера) по известному модулю Юнга вычисляется сила взаимодействия Принцип работы Кантилевер атомно- силового микроскопа

Сканирующая туннельная микроскопия Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа Туннельный ток, протекание которого описывается законами квантовой механики, очень сильно зависит от расстояния между зондом и образцом, сканируя поверхность образца можно обнаружить возвышения, соответствующие отдельным атомам. Поверхность кремния в СТМ

Близкополевая сканирующая оптическая микроскопия (БСОМ) Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки диаметром нм и попадает на детектор либо после отражения от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений. С помощью БСОМ можно формировать изображение поверхности в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что расстояние между источником света и образцом очень мало – порядка 5 нм. Уникальность ближнепольной оптической микроскопии, по сравнению с другими сканирующими методами, состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем.

Нанолитография Путем приложения повышенного напряжения или усилия зонд может вырвать (захватить) атом с поверхности образца и перенести его в другое место. Таким образом, возникает возможность поатомной сборки любых молекул и наноструктур, а в перспективе их производство в макроскопических объемах Примеры наноструктур полученных с помощью СТМ