реферат. 3. Классификация наноматериалов. 9 1 Наноматериалы нулевой размерности 9

• Название: 3. Классификация наноматериалов. 9 1 Наноматериалы нулевой размерности 9
• Дата: 18.11.2022
• Размер: 316.55 Kb.
• Имя файла: реферат.docx
• Тип: Реферат; #797520
• страница: 4 из 5

4.2 Наноэлектроника

Наноэлектроника является частью области нанотехнологий, которая занимается характеристикой, манипулированием и изготовлением электронных устройств на наноуровне. Наноэлектроника - одна из основных технологий нанотехнологий. Он играет жизненно важную роль в области инженерии и электроники. Наноэлектроника использует научные методы в атомном масштабе для разработки наномашин. Основная цель состоит в том, чтобы уменьшить размер, фактор риска и площади поверхности материалов и молекул. Машины в рамках наноэлектронного процесса проходят длинный ряд производственных этапов, каждый из которых сопровождается точной молекулярной обработкой. Эта статья посвящена инженерным аспектам наноэлектроники. Область нанотехнологий была предметом пристального внимания, особенно с точки зрения электронной промышленности. Это обязательство, без сомнения, в значительной степени обусловлено существующими нисходящими методологиями изготовления устройств на основе кремния. Это подразумевается в подходе следующего поколения к производству МЭМС, микропроцессоров, оптической коммутации и ряда других электронных компонентов. Наноэлектронные устройства; являются очень маленькими устройствами для преодоления ограничений масштабируемости Нанотехнологии постоянно играют жизненно важную роль в улучшении возможностей электронных продуктов. Технология также сделала устройства очень легкими, что облегчило их переноску или перемещение, и в то же время снизило энергопотребление. Некоторые продукты потребления, которые разработаны с помощью нанотехнологий:

1. 
   Компьютерное оборудование
   
2. 
   Экраны устройств
   
3. 
   Мобильные и коммуникационные продукты
   
4. 
   Аудиопродукты
   
5. 
   Камеры
   

Ожидается, что к 2017 году мировой рынок наноэлектроники достигнет бюджета 409,6 миллиарда долларов (данные на 2015 год)

4.3 Наноэлектронная конфигурация

Электронные конфигурации наноматериалов значительно отличаются от их объемных аналогов. Эти изменения возникают в результате систематических преобразований плотности уровней электронной энергии (Плотности состояний) в зависимости от размера, и эти изменения приводят к сильным изменениям в оптическом и электрическом. В то время как плотность состояний в полосе может быть очень большим для некоторых материалов, она может быть неравномерным. Она приближается к нулю на границах полосы и, как правило, выше ближе к середине полосы. Плотность состояний для модели свободных электронов. В статистической физике и физике конденсированных сред плотность состояний системы описывает количество состояний на каждом энергетическом уровне, доступных для заполнения. Высокая доза на определенном энергетическом уровне означает, что существует множество состояний, доступных для занятия. Количество нулевых состояний не может быть занято на этом энергетическом уровне. примерно в середине группы. Плотность состояний для модели свободных электронов в трех измерениях показана на рис. 9.

Рисунок 3 - Плотность состояний для 3D, 2D, 1D, 0D, показывающая дискретизацию энергии и прерывность.

4.4 Важность наноструктур

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.

4.5 Электронное поведение материалов в наноразмерном масштабе

Материалы ведут себя по-разному в наноразмерном масштабе по двум причинам: во-первых, очень мелкие частицы имеют большую площадь поверхности по сравнению с тем же количеством материала в большем куске (например, песчинки покрывали бы большую поверхность, чем то же количество песка, спрессованного в камень). Поскольку поверхность частицы участвует в химических реакциях, большая площадь поверхности может сделать материалы более реакционноспособными – крупинки соли растворяются в воде гораздо быстрее, чем, например, каменная соль. На самом деле, некоторые материалы, которые обычно неактивны в своей более крупной форме, могут быть более реактивными в наноразмерном масштабе. Во-вторых, когда мы смотрим на материалы на наноуровне, относительная важность различных законов физики меняется, и эффекты, которые мы обычно не замечаем (например, квантовые эффекты), становятся более значимыми, особенно для размеров менее 20 нм. Это в основном связано с нанометровыми размерами материалов, которые их создают:

1. большая доля поверхностных атомов;

2. высокая поверхностная энергия;

3. пространственное ограничение;

4. уменьшенные дефекты, которых нет в соответствующих объемных материалах.

Наноструктуры уникальны по сравнению как с отдельными атомами/молекулами в меньшем масштабе, так и с макроскопическими объемными материалами. Их также называют мезоскопическими структурами. Нанонаучные исследования сосредоточены на уникальных свойствах Нанонаучные исследования сосредоточены на уникальных свойствах наноразмерных структур и материалов, которые не существуют в структурах того же состава материала, но в других диапазонах масштабов. В электронике на волнообразные свойства электронов внутри вещества влияют изменения в нанометровом масштабе. Формируя структуру вещества на нанометровой длине, можно изменять фундаментальные свойства материалов (например, температуру плавления, намагниченность, емкость заряда) без изменения химического состава. Систематическая организация материи в масштабе нанометровой длины является ключевой особенностью биологических систем. Нанотехнологии обещают позволить нам размещать искусственные компоненты и сборки внутри клеток и создавать новые материалы с использованием естественных методов самосборки. Компоненты наноструктур имеют очень высокую площадь поверхности, что делает их идеальными для использования в композитных материалах, реагирующих системах, доставке лекарств и хранении энергии. Конечный размер материальных объектов по сравнению с молекулярным масштабом определяет увеличение относительной важности поверхностного натяжения и локальных электромагнитных эффектов, что делает наноструктурированные материалы более твердыми и менее хрупкими. Масштабы длин волн взаимодействия различных внешних волновых явлений становятся сопоставимыми с размером материального объекта, что делает материалы пригодными для различных оптико-электронных применений. Наноматериалы: Используемые людьми в течение 100 лет, красивый рубиново-красный цвет некоторых стекол обусловлен наночастицами золота, захваченными в стеклянной (керамической) матрице. Существуют различные причины, по которым нанонаука и нанотехнологии являются столь перспективными в области электронных свойств материалов и техники. Во-первых, в нанометровом масштабе электронные свойства вещества, такие как энергия, изменяются. Это прямое следствие малых размеров наноматериалов, физически объяснимых как квантовые эффекты. Следствием этого является то, что материал (например, металл), когда в наноразмерной форме может принимать свойства, которые сильно отличаются от свойств, когда тот же материал находится в объемной форме. Например, объемное серебро нетоксично, в то время как наночастицы серебра способны убивать вирусы при контакте. Такие свойства, как электропроводность, цвет, прочность и вес, изменяются при достижении наноразмерного уровня: один и тот же металл может стать полупроводником или изолятором на наноразмерном уровне. Второе исключительное свойство наноматериалов заключается в том, что они могут быть изготовлены атом за атомом с помощью процесса, называемого «снизу вверх». Информация для этого процесса изготовления встроена в строительные блоки материала, чтобы они могли самостоятельно собираться в конечный продукт. Сыпучие материалы (например, проволока из меди, чашка воды), их внутренние физические свойства, такие как плотность, проводимость и химическая реакционная способность, не зависят от их размеров. Например, если метровый провод Cu разрезать на несколько частей, эти внутренние свойства более коротких проводов останутся такими же, как и в исходном проводе. Если процесс деления повторяется снова и снова, эта инвариантность не может сохраняться бесконечно. Конечно, мы знаем, что свойства сильно меняются, когда провод разделяется на отдельные атомы меди (еще больше на уровне электронов, протонов и нейтронов). Значительные изменения свойств часто начинаются, когда мы переходим к наноуровням. Следующие явления критически влияют на свойства наноструктурных материалов:

1. Квантовое удержание: удержание электронов в наноразмерных измерениях приводит к квантованию энергии и импульса и уменьшению размерности электронных состояний
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. 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).