реферат. 3. Классификация наноматериалов. 9 1 Наноматериалы нулевой размерности 9
 Скачать 316.55 Kb.
|
СодержаниеВведение 7 3. Классификация наноматериалов. 9 3.1 Наноматериалы нулевой размерности 9 Материалы, в которых все размеры измеряются в наноразмерном масштабе (никакие размеры или 0-D не превышают 100 нм). Наиболее распространенным представлением наноматериалов нулевой размерности являются наночастицы. Наночастицы могут: быть аморфными или кристаллическими; быть монокристаллическими или поликристаллическими; состоять из одного или нескольких химических элементов; иметь различные формы и формы; существуют индивидуально или включены в матрицу и могут быть металлическими, керамическими или полимерными. 9 3.2 Одномерные наноматериалы 10 Одно измерение, которое находится за пределами наноуровня. Это приводит к получению наноматериалов в форме иглы. 1-D материалы включают нанотрубки, наностержни и нанопроволоки. В 1-D наноматериалах наноматериалы могут быть аморфными или кристаллическими; Монокристаллическими или поликристаллическими; Химически чистыми или загрязненными Отдельными материалами или внедренными в другую среду Металлическими, керамическими или полимерными. 10 3.3 Двумерные наноматериалы 10 Два измерения не ограничиваются наноразмерностью. 2-D наноматериалы имеют пластинчатую форму. Двумерные наноматериалы включают в себя нанопленки, нанослои и нанопокрытия. 2-D наноматериалы наноматериалы могут быть: могут быть: аморфными или кристаллическими, состоящими из различных химических композиций, используемых в качестве одного слоя или в качестве многослойных структур; Нанесенными на подложку и интегрированными в окружающий матричный материал металлический, керамический или полимерный. Двумерные наноматериалы, такие как трубки и провода, в последние годы вызвали значительный интерес у научного сообщества. В частности, их новые электрические и механические свойства являются предметом интенсивных исследований. 10 3.3.1 Углеродные нанотрубки 10 4 из этих замечательных свойств дают УНТ широкий спектр потенциальных применений: например, в армированных композитах, датчиках, наноэлектронике и устройствах отображения. 10 3.4 Трехмерные наноматериалы 10 4 Электронные свойства наноматериалов 12 4.1 Электроника 12 Электроника - это наука о том, как управлять электрической энергией, энергией, в которой электроны играют фундаментальную роль. Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральные схемы, а также связанные с ними пассивные электрические компоненты и технологии соединения. Обычно электронные устройства содержат схемы, состоящие в основном или исключительно из активных полупроводников, дополненных пассивными элементами; такая схема описывается как электронная схема. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делают возможным усиление слабых сигналов, и электроника широко используется в обработке информации, телекоммуникациях и обработке сигналов. Способность электронных устройств действовать в качестве переключателей делает возможной цифровую обработку информации. Технологии соединения, такие как печатные платы, технология упаковки электроники и другие различные формы инфраструктуры связи, дополняют функциональность схемы и превращают смешанные компоненты в обычную рабочую систему. Электроника отличается от электрической и электромеханической науки и техники, которые занимаются производством, распределением, переключением, хранением и преобразованием электрической энергии в другие формы энергии и из них с использованием проводов, двигателей, генераторов, батарей, переключателей, реле, трансформаторов, резисторов и других пассивных компонентов. Это различие началось примерно в 1906 году с изобретения Ли Де Форестом триода, который сделал возможным электрическое усиление слабых радиосигналов и аудиосигналов с помощью немеханического устройства. До 1950 года эта область называлась "радиотехника", потому что ее основным применением были проектирование и теория радиопередатчиков, приемников и вакуумных ламп. Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для выполнения электронного управления. Изучение полупроводниковых приборов и связанных с ними технологий считается разделом физики твердого тела, в то время как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относятся к области электроники. Эта статья посвящена инженерным аспектам наноэлектроники . 12 4.2 Наноэлектроника 12 4.3 Наноэлектронная конфигурация 13 Рисунок 3 - Плотность состояний для 3D, 2D, 1D, 0D, показывающая дискретизацию энергии и прерывность. 14 4.4 Важность наноструктур 14 В электронной нанотехнологии уже используется электронной промышленностью, и вы будете удивлены, узнав, что многие из современных электронных устройств уже включили множество приложений, разработанных наукой о нанотехнологиях. Например, новые компьютерные микропроцессоры имеют характеристики менее 100 нанометров (нм). Меньшие размеры означают значительное увеличение скорости и увеличение возможностей обработки. Эти достижения, несомненно, помогут создать более совершенные компьютеры. Однако в какой-то момент времени (очень скоро в будущем) современных электронных технологий уже будет недостаточно для удовлетворения спроса на новые микросхемы-микропроцессоры. В настоящее время метод изготовления чипов известен как литография или травление. С помощью этой технологии зонд буквально записывает на поверхности схему микросхемы. Этот способ построения схем в электронных чипах имеет ограничение около 22 нанометров (в большинстве современных процессоров микросхем используются функции размером 60-70 нм). Ниже 22 нм будут возникать ошибки, а короткие замыкания и ограничения кремния будут препятствовать производству микросхем. 14 4.5 Электронное поведение материалов в наноразмерном масштабе 14 2. Квантовая когерентность: для электронов, движущихся в наноструктуре, сохраняется определенное фазовое соотношение волновой функции, поэтому необходимо учитывать эффект интерференции волн. Но в наноструктурах, как правило, квантовая когерентность не поддерживается идеально, как в атомах и молекулах. Когерентность часто в некоторой степени нарушается дефектами в наноструктурах. Поэтому необходимо учитывать как квантовые когерентные, так и некогерентные эффекты, что часто делает описание электронного движения в наноструктуре более сложным, чем в крайних случаях. 16 3. Эффекты поверхности/интерфейса: значительная доля (даже большинство) атомов в наноструктуре расположена на поверхностях или интерфейсах и вблизи них. Механическое, термодинамическое, электронное, магнитное, оптическое и химическое состояния этих атомов могут сильно отличаться от внутренних атомов. Эти факторы играют роль в различной степени (но не на 100 %) важности. Например, ограничение и когерентные эффекты не так полны, как в атоме. В наноразмерных структурах нельзя игнорировать как кристаллические (объемные) состояния, так и состояния поверхности/интерфейса. Различная смесь атомно-молекулярных, мезоскопических и макроскопических характеристик резко меняет свойства наноструктур. Наноструктурные материалы часто находятся в метастабильном состоянии. Их детальная атомная конфигурация чувствительно зависит от кинетических процессов, в которых они изготавливаются. Поэтому свойства наноструктур можно широко регулировать, изменяя их размер, форму и условия обработки. В определенном аспекте ситуация аналогична поведению молекул в химии (например, N против N2). 17 4.6 Наноматериалы требуемого размера для эффекта размера 17 Где: энергия Ферми EF обычно составляет порядка 5 эВ в большинстве металлов. Например, дискретный уровень электронной энергии в наночастицах металлов наблюдался при измерениях поглощения наночастиц золота в дальнем инфракрасном диапазоне. Когда диаметр нанопроволок или наностержней уменьшается ниже длины волны де Бройля, ограничение размера также будет играть важную роль в определении уровня энергии, как и для нанокристаллов. Например, край поглощения нанопроволок Si имеет значительное синее смещение с резкими дискретными характеристиками, а кремниевые нанопроволоки также демонстрируют относительно сильную «полосовую» фотолюминесценцию. 18 4.7 Технология наноэлектроники 18 Технология наноэлектроники связана с характеристикой, манипулированием и изготовлением электронных устройств на наноуровне. Но наноэлектронное устройство – это очень маленькие устройства, позволяющие преодолеть ограничения по масштабу. Наноэлектроника содержит некоторые ответы на вопрос о том, как мы могли бы увеличить возможности электронных устройств при одновременном снижении их веса и энергопотребления. 18 4.7.1 Свойства электронов в наноструктурах 18 4.8 Электроны в наноструктурах и квантовые эффекты 20 В электронных свойствах сыпучих материалов преобладает рассеяние электронов. Это действует как сила трения, так что электрон движется со “скоростью дрейфа”, так что сила, обусловленная приложенным полем (поле = падение напряжения на единицу расстояния, сила = заряд × поле), просто равна силе трения. Поскольку ток пропорционален скорости дрейфа электронов, мы можем видеть, почему ток пропорционален напряжению в большинстве проводников (т.е. Соблюдается закон Ома). События рассеяния, которые способствуют сопротивлению, происходят со средними свободными путями, которые обычно составляют десятки нм во многих металлах при разумных температурах. Таким образом, если размер структуры имеет тот же масштаб, что и средняя длина свободного пробега электрона, закон Ома может не применяться. Перенос может быть полностью квантовым на наноуровне. Другое явление наноразмерного масштаба возникает, если структура настолько мала, что добавление к ней электрона приводит к значительному сдвигу энергии (по сравнению с кBT). 20 Заключение 20 В данной работе я рассказал о том как и где применяются нанотехнологии в электронике. О том, каким образом взаимодействуют среды натехнолигий и производства электронных систем. Конечно, области применения нанотехнологий в этой области многогранны, но я постарался раскрыть одни из основных моментов взаимодействия данных сфер науки. 21 Список использованных источников 22 Введение 7 3. Классификация наноматериалов. 9 3.1 Наноматериалы нулевой размерности 9 Материалы, в которых все размеры измеряются в наноразмерном масштабе (никакие размеры или 0-D не превышают 100 нм). Наиболее распространенным представлением наноматериалов нулевой размерности являются наночастицы. Наночастицы могут: быть аморфными или кристаллическими; быть монокристаллическими или поликристаллическими; состоять из одного или нескольких химических элементов; иметь различные формы и формы; существуют индивидуально или включены в матрицу и могут быть металлическими, керамическими или полимерными. 9 3.2 Одномерные наноматериалы 10 Одно измерение, которое находится за пределами наноуровня. Это приводит к получению наноматериалов в форме иглы. 1-D материалы включают нанотрубки, наностержни и нанопроволоки. В 1-D наноматериалах наноматериалы могут быть аморфными или кристаллическими; Монокристаллическими или поликристаллическими; Химически чистыми или загрязненными Отдельными материалами или внедренными в другую среду Металлическими, керамическими или полимерными. 10 3.3 Двумерные наноматериалы 10 Два измерения не ограничиваются наноразмерностью. 2-D наноматериалы имеют пластинчатую форму. Двумерные наноматериалы включают в себя нанопленки, нанослои и нанопокрытия. 2-D наноматериалы наноматериалы могут быть: могут быть: аморфными или кристаллическими, состоящими из различных химических композиций, используемых в качестве одного слоя или в качестве многослойных структур; Нанесенными на подложку и интегрированными в окружающий матричный материал металлический, керамический или полимерный. Двумерные наноматериалы, такие как трубки и провода, в последние годы вызвали значительный интерес у научного сообщества. В частности, их новые электрические и механические свойства являются предметом интенсивных исследований. 10 3.3.1 Углеродные нанотрубки 10 4 из этих замечательных свойств дают УНТ широкий спектр потенциальных применений: например, в армированных композитах, датчиках, наноэлектронике и устройствах отображения. 10 3.4 Трехмерные наноматериалы 10 4 Электронные свойства наноматериалов 12 4.1 Электроника 12 Электроника - это наука о том, как управлять электрической энергией, энергией, в которой электроны играют фундаментальную роль. Электроника имеет дело с электрическими цепями, которые включают активные электрические компоненты, такие как вакуумные трубки, транзисторы, диоды и интегральные схемы, а также связанные с ними пассивные электрические компоненты и технологии соединения. Обычно электронные устройства содержат схемы, состоящие в основном или исключительно из активных полупроводников, дополненных пассивными элементами; такая схема описывается как электронная схема. Нелинейное поведение активных компонентов и их способность управлять потоками электронов делают возможным усиление слабых сигналов, и электроника широко используется в обработке информации, телекоммуникациях и обработке сигналов. Способность электронных устройств действовать в качестве переключателей делает возможной цифровую обработку информации. Технологии соединения, такие как печатные платы, технология упаковки электроники и другие различные формы инфраструктуры связи, дополняют функциональность схемы и превращают смешанные компоненты в обычную рабочую систему. Электроника отличается от электрической и электромеханической науки и техники, которые занимаются производством, распределением, переключением, хранением и преобразованием электрической энергии в другие формы энергии и из них с использованием проводов, двигателей, генераторов, батарей, переключателей, реле, трансформаторов, резисторов и других пассивных компонентов. Это различие началось примерно в 1906 году с изобретения Ли Де Форестом триода, который сделал возможным электрическое усиление слабых радиосигналов и аудиосигналов с помощью немеханического устройства. До 1950 года эта область называлась "радиотехника", потому что ее основным применением были проектирование и теория радиопередатчиков, приемников и вакуумных ламп. Сегодня большинство электронных устройств используют полупроводниковые компоненты для выполнения электронного управления. Изучение полупроводниковых приборов и связанных с ними технологий считается разделом физики твердого тела, в то время как проектирование и конструирование электронных схем для решения практических задач относятся к области электроники. Эта статья посвящена инженерным аспектам наноэлектроники . 12 4.2 Наноэлектроника 12 4.3 Наноэлектронная конфигурация 13 Рисунок 3 - Плотность состояний для 3D, 2D, 1D, 0D, показывающая дискретизацию энергии и прерывность. 14 4.4 Важность наноструктур 14 В электронной нанотехнологии уже используется электронной промышленностью, и вы будете удивлены, узнав, что многие из современных электронных устройств уже включили множество приложений, разработанных наукой о нанотехнологиях. Например, новые компьютерные микропроцессоры имеют характеристики менее 100 нанометров (нм). Меньшие размеры означают значительное увеличение скорости и увеличение возможностей обработки. Эти достижения, несомненно, помогут создать более совершенные компьютеры. Однако в какой-то момент времени (очень скоро в будущем) современных электронных технологий уже будет недостаточно для удовлетворения спроса на новые микросхемы-микропроцессоры. В настоящее время метод изготовления чипов известен как литография или травление. С помощью этой технологии зонд буквально записывает на поверхности схему микросхемы. Этот способ построения схем в электронных чипах имеет ограничение около 22 нанометров (в большинстве современных процессоров микросхем используются функции размером 60-70 нм). Ниже 22 нм будут возникать ошибки, а короткие замыкания и ограничения кремния будут препятствовать производству микросхем. 14 4.5 Электронное поведение материалов в наноразмерном масштабе 14 2. Квантовая когерентность: для электронов, движущихся в наноструктуре, сохраняется определенное фазовое соотношение волновой функции, поэтому необходимо учитывать эффект интерференции волн. Но в наноструктурах, как правило, квантовая когерентность не поддерживается идеально, как в атомах и молекулах. Когерентность часто в некоторой степени нарушается дефектами в наноструктурах. Поэтому необходимо учитывать как квантовые когерентные, так и некогерентные эффекты, что часто делает описание электронного движения в наноструктуре более сложным, чем в крайних случаях. 16 3. Эффекты поверхности/интерфейса: значительная доля (даже большинство) атомов в наноструктуре расположена на поверхностях или интерфейсах и вблизи них. Механическое, термодинамическое, электронное, магнитное, оптическое и химическое состояния этих атомов могут сильно отличаться от внутренних атомов. Эти факторы играют роль в различной степени (но не на 100 %) важности. Например, ограничение и когерентные эффекты не так полны, как в атоме. В наноразмерных структурах нельзя игнорировать как кристаллические (объемные) состояния, так и состояния поверхности/интерфейса. Различная смесь атомно-молекулярных, мезоскопических и макроскопических характеристик резко меняет свойства наноструктур. Наноструктурные материалы часто находятся в метастабильном состоянии. Их детальная атомная конфигурация чувствительно зависит от кинетических процессов, в которых они изготавливаются. Поэтому свойства наноструктур можно широко регулировать, изменяя их размер, форму и условия обработки. В определенном аспекте ситуация аналогична поведению молекул в химии (например, N против N2). 17 4.6 Наноматериалы требуемого размера для эффекта размера 17 Где: энергия Ферми EF обычно составляет порядка 5 эВ в большинстве металлов. Например, дискретный уровень электронной энергии в наночастицах металлов наблюдался при измерениях поглощения наночастиц золота в дальнем инфракрасном диапазоне. Когда диаметр нанопроволок или наностержней уменьшается ниже длины волны де Бройля, ограничение размера также будет играть важную роль в определении уровня энергии, как и для нанокристаллов. Например, край поглощения нанопроволок Si имеет значительное синее смещение с резкими дискретными характеристиками, а кремниевые нанопроволоки также демонстрируют относительно сильную «полосовую» фотолюминесценцию. 18 4.7 Технология наноэлектроники 18 Технология наноэлектроники связана с характеристикой, манипулированием и изготовлением электронных устройств на наноуровне. Но наноэлектронное устройство – это очень маленькие устройства, позволяющие преодолеть ограничения по масштабу. Наноэлектроника содержит некоторые ответы на вопрос о том, как мы могли бы увеличить возможности электронных устройств при одновременном снижении их веса и энергопотребления. 18 4.7.1 Свойства электронов в наноструктурах 18 4.8 Электроны в наноструктурах и квантовые эффекты 20 В электронных свойствах сыпучих материалов преобладает рассеяние электронов. Это действует как сила трения, так что электрон движется со “скоростью дрейфа”, так что сила, обусловленная приложенным полем (поле = падение напряжения на единицу расстояния, сила = заряд × поле), просто равна силе трения. Поскольку ток пропорционален скорости дрейфа электронов, мы можем видеть, почему ток пропорционален напряжению в большинстве проводников (т.е. Соблюдается закон Ома). События рассеяния, которые способствуют сопротивлению, происходят со средними свободными путями, которые обычно составляют десятки нм во многих металлах при разумных температурах. Таким образом, если размер структуры имеет тот же масштаб, что и средняя длина свободного пробега электрона, закон Ома может не применяться. Перенос может быть полностью квантовым на наноуровне. Другое явление наноразмерного масштаба возникает, если структура настолько мала, что добавление к ней электрона приводит к значительному сдвигу энергии (по сравнению с кBT). 20 Заключение 20 В данной работе я рассказал о том как и где применяются нанотехнологии в электронике. О том, каким образом взаимодействуют среды натехнолигий и производства электронных систем. Конечно, области применения нанотехнологий в этой области многогранны, но я постарался раскрыть одни из основных моментов взаимодействия данных сфер науки. 21 Список использованных источников 22 |