Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Глава 3. Контрольные вопросыЧем обусловлен предел разрешения электронного микроскопа? Опишите принцип действия просвечивающего электронного микроскопа. Опишите принцип действия сканирующего электронного микроскопа. В чем заключаются преимущества и недостатки ионно-полевого микроскопа? Опишите принцип действия ионного проектора. В чем заключается принцип работы сканирующего зондового микроскопа? В чем отличие между туннельным и атомно-силовым микроскопом? Какие достоинства и недостатки у нанолитографии? В чем отличие работы туннельного микроскопа в режимах постоянного тока и постоянной высоты? В чем отличие контактного и полуконтактного методов? Глава 4. Нанокластеры, квантовые точки. Кластеры и особенности их свойствКластерами называются нанообъекты, состоящие из сравнительно небольшого числа атомов или молекул, от единиц до сотен тысяч. Кластеры имеют наноразмеры по трем направлениям. В макроскопических образцах физические характеристики твердых тел и жидкостей не зависят от объема (строение, температуры плавления и кипения, удельное электрическое сопротивление и др.) или пропорциональны ему (например, теплоемкость), но эти свойства возникают при большом скоплении атомов и молекул. Свойства отдельных частиц не просто складываются, очень важно их коллективное взаимодействие. При небольшом числе атомов их свойства «складываются» по иному. Выяснилось, например, что кластер плавится при существенно более низкой температуре, чем массивное твердое тело, и точка плавления не совпадает с точкой замерзания. В некоторых условиях кластеры могут иметь отрицательную теплоемкость: при сообщении некоторого количества теплоты их температура падает за счет перестройки структуры. Кластеры металла, в зависимости от размеров, могут быть диэлектриками, полупроводниками, проводниками. Особенности физических и химических свойств кластеров связаны прежде всего с тем, что в них возрастает роль поверхностных атомов. Для небольших кластеров практически все атомы «поверхностные», этим объясняется их повышенная химическая активность. Но отличие может быть не только количественное. Например, химическая реакция с одним и тем же реагентом может дать разный результат для обычного металлического порошка и для нанокластеров металла. Кластеры имеют общую особенность, связанную с коллективными взаимодействими атомов в твердых телах. Соответствующие физические свойства (например, характер намагниченности или теплопроводность) описываются коллективными колебаниями магнитных моментов атомов, самих атомов и т.д. При этом размеры макроскопических тел на много порядков больше длин волн этих колебаний, поэтому физические свойства этих тел от размеров не зависят. В то же время размеры кластеров часто оказывается меньше длин волн, определяющих некоторые физические характеристики, и эти характеристики оказываются иными, чем в макроскопическом теле. Изучение кластеров помогает понять, как формируются свойства макроскопических тел, сколько частиц должно объединиться, чтобы их ансамбль обладал характеристиками макроскопических образцов. Физические свойства кластера часто резко зависят от числа атомов в нем, поэтому некоторые исследователи аллегорически называют это число третьей координатой таблицы Менделеева. Верхней границей размеров кластера является такое число атомов, при котором дальнейшее добавление уже не меняет его физических и химических свойств, и его можно рассматривать как нанокристаллик. Обычно это несколько тысяч – десятков тысяч атомов. Малые размеры нанокластеров позволяют управлять их физическими свойствами при малых воздействиях. Так, молекулярный оксидно-металлический кластер, размеры которого в 10 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, может оказаться основой молекулярной памяти: для этой частицы добавление всего одного электрона заметно изменяет его физические свойства (электропроводность, электроемкость). Использование нанокластеров осложняется их активным тепловым движением: малые размеры делают возможными заметные перестройки их структуры. На рис. 4.1 изображены разные стадии «танца» молекулы из 4-х атомов цезия и 4-х атомов иода в компьютерной редакции реально проведенного уникального эксперимента. Кластер принимает форму куба, кольца, «ступеньки лестницы» и все промежуточные формы. Все эти превращения осуществляются за счет внутренней энергии хаотического движения ионов, составляющих кластер.  Рис. 4.1. Изменения конфигурации восьмиатомной молекулы цезий-иод в процессе теплового движения |