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: 3 из 24

Глава 1. Контрольные вопросы к теме

1. 
   Как волновые свойства света и электрона проявляются в экспериментальных наблюдениях?
   
2. 
   Можно ли наблюдать волновые свойства частиц больше, чем электрон, например протона или нейтрона?
   
3. 
   В чем состоит гипотеза де Бройля?
   
4. 
   Каким образом формируются энергетические зоны в материале?
   
5. 
   В чем отличие разрешенных и запрещенных зон?
   
6. 
   Какие фундаментальные отличия в заполнении энергетических зон у металлов, диэлектриков и полупроводников?
   
7. 
   Каким образом формируются квантовые ямы и потенциальные барьеры в многослойных полупроводниковых структурах?
   
8. 
   В чем состоит сущность процесса туннелирования?
   
9. 
   По каким причинам уровни энергии в квантовой яме дискретизируются?
   
10. 
    В чем состоит квантоворазмерный эффект?
    

Глава 1. Литература

1. 
   Сайт Центра довузовской подготовки Томского политехнического университета // http://ens.tpu.ru
   
2. 
   Мигдал А.Б. Квантовая физика для больших и маленьких. -М.: Наука. 1989. ‑144с. (Б-чка «Квант». Вып.75).
   
3. 
   Сайт школ московского округа http://schools.keldysh.ru
   
4. 
   Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 5. С. 80-86.
   
5. 
   Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики / под ред. А.А. Пинского, О.Ф. Кабардина. М.: Просвещение, 2005.
   

Глава 2. Наноматериалы и технологии их получения. Классификация наноматериалов

Под структурой понимают особенности в строении, форме, размере материала. В природе встречаются материалы, имеющие структуру шара, иглы, диска, снежинки, дерева, нити, ракушки и т.д. Наноструктурными материалами (или просто наноматериалами) называют материалы, обладающие структурой нанометрового размера.

При переходе вещества от макроразмеров к наноразмерам происходит резкое изменение их свойств. Изменения связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов.

Свойства атомов, находящихся вблизи поверхности, отличаются от свойств атомов, находящихся в объеме материала, поэтому поверхность материала можно рассматривать как особое состояние вещества. Чем больше доля атомов, находящихся на поверхности, тем сильнее эффекты, связанные с поверхностью. Особенности электронной структуры нанообъектов объясняются усилением квантовых свойств, связанных с уменьшением размеров. Корпускулярно-волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности, это относится к волнам, характеризующим электрон в кристалле, к волнам, связанным с движением элементарных атомных магнитиков и пр. Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Известно, что наночастицы некоторых веществ обладают неплохими каталитическими и адсорбционными свойствами. Некоторые наноматериалы обладают уникальными оптическими свойствами, например, сверхтонкие пленки органических веществ используют при изготовлении солнечных батарей.

В настоящее время технологи научились получать достаточно большое число разнообразных наноматериалов. Современная наука классифицирует следующие виды наноматериалов: наночастицы, фуллерены, нанотрубки и нановолокна, нанопорис­тые структуры, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллические материалы. Рассмотрим их более подробно.

Классификация наноматериалов. Наночастицы

Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 10₆ или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов (см. рис. 2.1).

Одиночный кластер железа	Кластер железа с растущими углеродными нанотрубками	Скопление кластеров железа
Рис. 2.1. Металлические кластеры

Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Слово кластер произошло от английского «cluster» – скопление, гроздь. Обычно, в нанокластере содержится до 1000 атомов.

Многие физические законы, справедливые в макроскопической физике (макроскопическая физика «имеет дело» с объектами, размеры которых много больше 100 нм), для наночастиц нарушаются. Например, несправедливы известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до –20…–30_оС, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом.

В последние годы во многих публикациях приводятся эффектные примеры влияния размеров частиц того или иного вещества на его свойства – электрические, магнитные, оптические. Так, цвет рубинового стекла зависит от содержания и размеров коллоидных (микроскопических) частиц золота. Коллоидные растворы золота могут дать целую гамму цвета – от оранжевого (размер частиц меньше 10 нм) и рубинового (10-20 нм) до синего (около 40 нм). В Лондонском музее Королевского института хранятся коллоидные растворы золота, которые получены еще Майклом Фарадеем в середине XIX века, впервые связавшим вариации их цвета с размером частиц.

Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частицы. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика. По этой причине наночастицы металлов стремятся объединиться. Вместе с тем в живых организмах (растениях, бактериях, микроскопических грибах) металлы, как оказалось, часто существуют в виде кластеров, состоящих из объединения сравнительно небольшого числа атомов.

Корпускулярно-волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности, это относится к волнам, характеризующим электрон в кристалле, к волнам, связанным с движением элементарных атомных магнитиков и пр. Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.

Рассмотрим кластер сферической геометрии, состоящий из i атомов. Объем такого кластера можно записать в виде:

, (1.2)

где R – радиус нанокластера, v – объем, приходящийся на одну частицу.

Будем считать, что объем, приходящийся на одну частицу, можно представить в виде:

, (2.2)

где а – средний радиус одной частицы.

Тогда можно записать:

. (2.3)

Для большинства нанокластеров размер а равен примерно 0,1 нм. Из (2.3) легко оценить, что кластер из 1000 частиц будет иметь размер порядка 10 нм.

Важной характеристикой нанокластеров является площадь их поверхности:

. (2.4)

Число атомов на поверхности i_S связано с площадью поверхности через соотношение:

,(2.5)

где s – площадь, занимаемая одним атомом на поверхности кластера.

Рассмотрим соотношение числа атомов на поверхности к числу атомов в объеме:

. (2.6)

Как видно из формулы (2.6), доля атомов на поверхности кластера быстро уменьшается с ростом размера кластера. Заметное влияние поверхности проявляется при размерах кластеров, меньших 100 нм.

В качестве примера можно привести наночастицы серебра, которые обладают уникальными антибактерицидными свойствами. То, что ионы серебра способны нейтрализовать вредные бактерии и микроорганизмы, известно достаточно давно. Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем многие другие вещества.

Наночастицы серебра активно используются в косметике, зубной пасте, дезинфицирующих средствах и т.д. Их уникальные свойства объясняются электрохимическим потенциалом поверхности.

Классификация наноматериалов. Фуллерены. Нанотрубки и нановолокна

Рис. 2.2. Модель фуллерена (http://www.nanometer.ru)

В нанохимии очень велико значение углерода, что во многом связано с открытием фуллеренов и нанотрубок.

Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные кар­касные структуры, напоминающие по форме футбольный мяч (рис. 2.2). Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре.

Наиболее устойчив фуллерен C₆₀, который был обнаружен Крото с сотрудниками в 1985 году. По мере исследования фуллеренов были получены кластеры, содержащие различное число атомов углерода – от 36 до 540.

В 1991 году японский ученый Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные структуры, получившие название нано­трубок.

Фуллерены и нанотрубки – наиболее исследуемые объекты нанотехнологий, обладающие рядом удивительных свойств и получившие широкое применение в науке и технике.

Классификация наноматериалов. Нанопористые вещества

Рис. 2.3. Изображение структуры пеностекла, полученное на электронном микроскопе (http://www.penosytal.ru)

Вспомните, как выглядит губка или мочалка в вашей ванне. Это пример пористых (от греч. рorus – про­ход, канал) материалов (рис. 2.3). Мхи, ли­шайники, водоросли также являются пористыми материалами. Пористые материалы характеризуются наличием большого количества пустоты в своем объеме. Эту пустоту называют порами. Численной характеристикой по­ристых веществ является пористость  :

,

где V_пор - объем пор, V - объем материала.

Для некоторых пористых материалов пористость может достигать 80-90%. Пористые материалы могут заполнять свои пустоты в объеме водой, другой жидкостью или газом. Поэтому пористые материалы применяют в качестве фильтров, сит, сорбентов. Сорбенты – вещества, которые используются для поглощения различных химических элементов. Примером сорбента является активированный уголь, который Вы не раз употребляли при расстройстве желудка.

Нанопористые вещества представляют собой пористые вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах 1-100 нм. Выделяют также микро-, мезо- и макропористые материалы, размер пор которых лежит в микрометровом диапазоне (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Соотношение между названием пористых материалов и средним размером пор в них
Тип пор	Диаметр пор (d), нм
Микропоры	d < 2
Мезопоры	2 < d < 50
Макропоры	d > 50

При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.

Интересным примером пористых материалов является пористый кремний. Пористый кремний считается перспективным во многих областях электроники, в том числе для создания источников видимого излучения на кремнии, которые в чистом кремнии создать нельзя. Пористый кремний получают путем анодного травления. Для этого пластину монокристаллического кремния помещают в электрохимическую ячейку, содержащую слабый раствор плавиковой кислоты. Присоединяют к положительному электроду – аноду и пропускаю слабый постоянный электрический ток (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Анодное получение пористого кремния: 1 – корпус, 2 – пластина кремния, 3 – катод, 4 – изолятор, 5 – растущий пористый слой, 6 – анод

Рис. 2.5. Модельное представление пористого кремния

С течением времени электрический ток и ионы фтора травят поверхность. Образуются вертикальные поры, проникающие вглубь кремния (рис. 2.5). Соседние поры могут соединяться, оставляя столбики кремния диаметром в несколько нанометров. Процессом травления можно управлять, изменяя силу тока и концентрацию ионов фтора.

Классификация наноматериалов. Нанодисперсии

Рис. 2.4. Тонкодисперсный порошок с размером частиц не более 10 микрон из природного слоистого минерала серпентинит, получаемого при помощи тщательного измельчения (в увеличенном и уменьшенном масштабе) (industry.noveco.ru).

Нанодисперсии – системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами (рис. 2.6). Сегодня основное применение нанодисперсий в медицине и косметике.

Наночастицы, растворенные в жидкой фазе, можно использовать для транспорта лекарств. Лекарство «прицепляется» к поверхности наночастиц или располагается в их объеме. Наночастицы выполняют функцию «трамвая» для лекарств, доставляя и высаживая их на остановке «больной орган».

Нанодисперсии активно применяются в косметике. Оказывается, косметические омолаживающие и восстанавливающие препараты легче проникают в клетки биологических тканей, если их поместить в специальный наноконтейнер.

Классификация наноматериалов. Наноструктурированные поверхности и пленки

Рис. 2.7. Модель гетероструктуры (http://www.nanonewsnet.ru).

Вы, возможно, наблюдали на поверхности луж радужные пятна. Это пример пленки, которая образовалась из бензина, равномерно «растекшегося» по поверхности воды. Толщина пленок может составлять несколько атомных слоев. Такие пленки являются одним из объектов нанотехнологий.

Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки называют пленками Ленгмюра – Блоджетта.

Пленки или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами (рис. 2.7). Гетероструктура может состоять из последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько нанометров. Полупроводниковые гетероструктуры используются для создания ярких светодиодов, лазеров и других полупроводниковых приборов современной микроэлектроники.

В 2000 году российский ученый Ж.И. Алферов получил Нобелевскую премию по физике за разработку технологий создания гетероструктур.

Гетероструктуры создают методом молекулярно-лучевой, газофазной, жидкостной эпитаксии, а также методом самосборки.

Классификация наноматериалов. Нанокристаллические материалы

Под понятиями «атом» и «молекула» мы представляли минимальные строительные «кирпичики», из которых строится вещество. Оказывается, вещество можно строить не только из кирпичей, но и из целых блоков. В качестве блоков могут выступать нанокластеры и наночастицы. Кристаллические материалы, состоящие из наноразмерных блоков, называются объемными нанокристаллическими материалами.

Оказывается, нанокристаллические материалы могут обладать рядом уникальных характеристик. Мы привыкли, что если материал является прочным, то он обладает таким свойством, как хрупкость. Примером очень прочного, но хрупкого материала является стекло. Оказывается, ряд нанокристаллических материалов обладает хорошей прочностью и пластичностью одновременно.

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.

В последние годы достигнут значительный прогресс в получении нанокристаллов. Используя методы коллоидной химии, удалось получить в нанокристаллической форме многие известные вещества, в том числе металлы, полупроводники и магнитные материалы. Развитие методов лигандного обмена и дериватизации поверхности позволяет выделять узкие фракции нанопорошков (разброс диаметров частиц – 5-15%), которые затем могут использоваться в качестве химических реагентов. Этого удалось добиться благодаря лучшему пониманию зависимости свойств частиц от размеров, а также фундаментальным исследованиям в физике и химии кон­денсированных состояний вещества. Прогресс в этой области в значительной степени облегчен тем обстоятельством, что в полу­проводниках некоторые легко регистрируемые характеристики (например, интенсивность светового излучения) сильно зависят от размеров частиц. Это же обстоятельство позволило найти некоторые неожиданные применения нанокристаллов, например, для биологической маркировки. Примеры некоторых нанокристаллов приведены на рис. 2.8.



Рис. 2.8. Примеры выращенных монокристаллов различных веществ

К нанокристаллическим материалам можно отнести сплавы, содержащие кристаллы нанометрического диапазона, и одиночные нанокристаллы.