Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 13 из 24

Глава 4. Нанокластеры, квантовые точки. Методы получения кластеров, магические числа

Обычно кластеры делят на газовые и твердотельные, имея в виду источник их получения. Первые состоят из частиц вещества, которое в обычных условиях является газом. Чтобы получить газовые кластеры, надо резко охладить газ, желательно при высоком давлении.

Для получения твердотельных кластеров поверхность твердого тела облучают лазерным лучом или пучком заряженных частиц (электронов, ионов) с большой кинетической энергией. С поверхности материала при этом вылетает некоторое количество макроскопических капель, отдельные частицы и кластеры разных размеров. Затем кластеры направляют в специальный прибор – масс-спектрометр, позволяющий определить их распределение по массам, то есть по числу частиц в кластере.

Оказалось, что чаще всего в потоке кластеров встречаются кластеры, состоящие из определенного числа частиц, что означает, что эти кластеры наиболее устойчивы, стабильны. Эти числа называются магическими, их набор позволяет понять, как из отдельных частиц «сложены» кластеры, от самых маленьких до больших. Тем самым можно проследить путь формирования структуры и свойств макроскопического тела, начиная от отдельных атомов и молекул.

На рис. 4.2 показано распределение по размерам газовых кластеров криптона. Магические числа в этом случае равны 13, 69, 87, 104, 147 и т.д.



Рис. 4.2. Распределение газовых кластеров криптона по размерам (числу атомов n)

Примером структуры устойчивых кластеров служит плотная упаковка одинаковых сфер, при которой они касаются друг друга. Первому магическому числу – 13 – соответствует внутренняя сфера, окруженная 12 сферами того же радиуса. В 1694 году И. Ньютон и его друг, оксфордский математик Д. Грегори, по­спорили относительно величины этого числа. Только через 180 лет Рейнгольд Хоппе строго доказал, что оно равно 12. К пробле­ме «целующихся» кругов и сфер в 1936 году вернулся нобелев­ский лауреат, открывший изотопы, Ф. Содди, опубликовавший «Научные стансы. Поцелуй по расчету» в журнале Nature.

Если последующие оболочки из частиц также полностью заполнены, это соответствует числу частиц (магическим числам) 55, 147, 309, 567. Число частиц N_n в оболочке № n можно подсчитать по формуле N_n = 10 n² + 2.

Таким образом, в первой оболочке вокруг одного атома находится 12 атомов и магическое число N₁ равно 13. Во второй оболочке находится 42 атома, добавляя 42 к 13 получаем магическое число N₂ = 55 и т.д.

Структура кластера при этом оказывается наиболее стабильной, а кластер имеет структуру икосаэдра (рис. 4.3).

В некоторых случаях кластеры «упаковывались» из частиц, образуя структуру додекаэдра (рис. 3.3). Набор магических чисел при этом: 7, 29, 66, 118 и т.д.



Рис. 4.3. Структура нанокластеров из 13 и 55 атомов:
сверху - додекаэдр;
снизу - икосаэдр

Исследование магических чисел для углерода привело к открытию фуллеренов и углеродных нанотрубок. Изучение магических чисел некоторых твердотельных кластеров помогает понять природу магнитных свойств вещества. В последние годы получены нанокластеры сложного состава, из многоатомных молекул.

Квантовые точки. Роль процессов самоорганизации

Роль процессов самоорганизации

Кластеры нашли широкое применение, прежде всего в микроэлектронике. Один из наиболее популярных объектов – кластеры, которые называются квантовыми точками. На их основе разработаны технологии нового поколения полупроводниковых приборов, лазеров, диодов, ячеек солнечных батарей и пр.

Квантовые точки представляют собой регулярные «островки» полупроводника на поверхности другого полупроводника, близкого по составу и структуре, и служат трехмерными квантовыми ямами для электронов. Например, на поверхности GaAs выращивают квантовые точки из InAs. Полупроводниковые квантовые точки имеют размер в несколько десятков нанометров и содержат тысячи и сотни тысяч атомов (рис. 4.4-4.5).

Дискретность энергетического спектра электрона в квантовой яме позволяет называть квантовые точки «искусственными атомами». Такое сопоставление иллюстрируется (рис. 3.6).

Рис. 4.4. Квантовая точка (от фирмы HP) (изображение в атомно-силовом микроскопе)

Рис. 4.5. Изображение квантовых точек InAs в матрице GaAs (вид сверху), полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии

На основе квантовых точек были созданы миниатюрные источники света с высоким коэффициентом полезного действия. Квантовые точки поглощают ультрафиолетовое излучение, возбужденное лазером, и переизлучают его уже в видимом диапазоне с высоким коэффицентом полезного действия (55%), который предполагается увеличить почти до 100%. Следующий шаг – замена лазерного источника питания обычным источником тока.

Варьируя размеры и состав квантовых точек, можно получать светодиоды с разным цветом излучения. В полупроводниковых устройствах микронных размеров регулируется (включается или выключается) ток, соответствующий потоку из сотен тысяч электронов. С помощью квантовых точек можно управлять движением одиночных электронов, что открыло огромные возможности по дальнейшей миниатюризации полупроводниковых устройств и снижению их энергопотребления. Открылись новые возможности для развития криптографии.

Успешно разрабатываются газоразрядные источники света на основе кластеров тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) с интенсивностью, намного превышающей интенсивность атомных газоразрядных источников.



Рис. 4.6. Механизм излучения индивидуального атома (cлева) и квантовой точки – «искусственного атома» (справа) и преимущества использования квантовых точек [2]

За вклад в развитие информационных технологий академику Ж.И. Алферову, в лаборатории которого разработана технология гетероструктур, в частности, технология получения квантовых точек, была вручена (вместе с Г. Кремером и Д.С. Килби) в 2000 году Нобелевская премия. Решая задачу создания квантовых точек, сотрудники лаборатории Ж.И. Алферова пришли к выводу о необходимости использования процессов самоорганизации на новом уровне, тщательно их изучая и творчески используя. В процессах выращивания бездефектных квантовых точек были использованы даже дефекты – исконные «враги» этого процесса, возникающие при совмещении двух полупроводников с различным межатомным расстоянием. Н.Н. Леденцов в популярном докладе в лектории Физико-технического института РАН выразил это так: «Стало ясно, что не нужно пытаться бороться с природой, а надо эту природу изучать, радоваться ей и просто следовать тому, что она сама хочет сделать. А сама она как раз очень хочет сделать наноструктуры, правда, размеры, плотности, относительное расположение нанообъектов она хочет определять сама». Так была сформулирована новая теория роста полупроводниковых кристаллов – переход к самоорганизующимся наноструктурам Вольная трактовка цитаты из книги Макса Фрая «Ворона на мосту» – «Очевидная магия – грубое насилие над реальностью, тогда как Истинная магия – исполнение ее тайных, невысказанных желаний» – вполне соответствует переходу от традиционных технологических процессов «сверху-вниз» к самосборке в процессах «снизу-вверх». Заметим к месту, что, по словам А. Кларка, любая развитая технология неотличима от магии

Ранее считалось невозможным вставить в полупроводник слой из другого материала так, чтобы граница между разными материалами одновременно была и достаточно резкой, и бездефектной. Ж.И. Алферов и его коллеги показали, что всех этих проблем можно избежать, и преимущества, ожидаемые для «идеальных» гетероструктур, реализуются на практике.

Например, при получении квантовых точек на поверхности GaAs выращивают слои InAs, в кристаллической решетке которого расстояния между отдельными атомами несколько отличаются от расстояний в GaAs. Из-за этого в первом же слое осажденного InAs возникают упругие напряжения, а при достижении определённой толщины кристалл InAs теряет устойчивость и сам распадается на множество практически одинаковых островков. Так «одним ударом» получается множество квантовых точек. Таким образом, процессы самоорганизации играют принципиальную роль в нанотехнологии.

Получение близких по размеру нанокластеров, чтобы затем наполнить ими твердую среду (матрицу) или нанести на макроскопическую поверхность, является важной технологической проблемой. Это относится и к магнитным наночастицам, вкрапленым в какую-то среду с другими магнитными свойствами, и к излучающим наночастицам серебра на полимерной подложке, и к полупроводниковым квантовым точкам, и т.п. Во всех этих случаях необходимо совместить массовое производство с атомной точностью формирования структуры. Задача нанотехнологии заключается в разработке такого процесса, в котором желаемый продукт получается естественным путем самоорганизации.

Методы модификации свойств кластеров

Физические и химические свойства кластера можно целенаправленно изменять, вводя в него атомы других элементов. На рис. 4.7 изображен кластер из 12 атомов кремния, окружающих атом вольфрама.



Рис. 4.7. Кластер из 12 атомов кремния и так называемого «гостя» – атома вольфрама

Подобные кластеры считаются перспективными для получения эффективных катализаторов, для использования в квантовых компьютерах и пр. «Играть» свойствами кластеров можно также за счет их взаимодействия друг с другом или со средой, в которой они находятся. В нанокомпозитах нанокластеры используются как наполнитель основной среды (матрицы), в качестве которой часто выступает полимерный материал. Взаимодействие наночастиц наполнителя друг с другом и с матрицей существенно определяет механические, электрические, тепловые и другие свойства композита.

В катализе наноструктуры использовались давно. Часто кластеры металла помещают на подложку-носитель (оксидные, углеродные материалы). Такие катализаторы участвуют в крупнотоннажном производстве углеводородного сырья, органическом синтезе и пр. И в этом случае проявляются основные особенности кластеров:

• 
  резкое отличие их свойств, в том числе каталитической активности, от свойств отдельных атомов и микроскопических частиц. Каталитическая активность при этом может расти вместе с увеличением числа атомов в кластере или уменьшаться;
  
• 
  большую роль играет взаимодействие кластеров между собой и с подложкой. Показано, что для катализа и электрических свойств такой системы важно перераспределение электрического заряда между кластерами и подложкой. Электроны и «дырки» могут перемещаться за счет туннельного эффекта, если расстояние между кластерами или кластерами металла и проводящей подложкой составляет 1-2 нанометра;
  
• 
  за счет взаимодействия некоторые кластеры металла склонны к самоорганизации.