Чем определяется диапазон измерений наночастиц и наноструктур которые используются в нанотехнологиях

Что такое нанотехнологии, какова сфера их применения?

Наше восприятие окружающего мира быстро меняется в лучшую сторону. С появлением новых технологий, которые не только экологичны и экономически эффективны, но и обеспечивают гораздо более сложное понимание молекулярной природы вещей, мы находимся на пути к созданию революционных систем, которые работают с большой скоростью и откроют невиданные врата для прогресса человечества.

Имея неограниченное применение практически во всех сферах жизни, это технология сегодняшнего и завтрашнего дня!

Что такое нанотехнологии?

Изобретение сканирующего туннельного микроскопа положило начало полномасштабному изучению структур на наноуровне. Многие непонятные крупномасштабные явления позволяют лучше понять их работу и происхождение, когда размер системы уменьшается в геометрической прогрессии.

Поэтому нанотехнологии помогают стереть различия в точности и достоверности между малыми и большими системами. Разворот свойств на 180 градусов, наблюдаемый при уменьшении размера системы, открывает новые возможности для новых и доселе неизвестных применений.

Методы нанотехнологий

Другой метод, то есть метод «снизу вверх», является полярной противоположностью сверху вниз. В этом методе объекты создаются на атомном или ядерном уровне и масштабируются до тех пор, пока не будет извлечен соответствующий продукт.

Методы сверху вниз

Нанометоды сверху вниз

Методы «снизу вверх»

Значение нанотехнологий

Медицина и повседневное использование

Технологические применения

Нанотехнологии появились сравнительно недавно, но сфера их применения безгранична. Огромный спектр продуктов, которые можно создать или даже улучшить с помощью этой технологии, поражает воображение. Мы можем легко изменить свойства и основные характеристики любого вещества в соответствии с нашими потребностями. Вещи можно сделать дешевле, и в то же время более совершенными!

Источник

Исследований наночастиц и наноматериалов.

Общая характеристика наночастиц

И наноматериалов.

В настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в области естественных наук является исследование малоразмерных объектов – наночастиц и наноматериалов. Бывшие долгое время уделом узкого круга исследователей, науки о коллоидах (в том числе коллоидная химия) за последние примерно 20 лет превратились в обширную междисциплинарную область. Концептуальными вопросами указанной области является получение и исследование наночастиц, а также создание ансамблей (функциональных материалов) на их основе. Уже разработан целый ряд физических, химических, физико-химических и биологических методов получения и исследования наночастиц, а также методы нанотехнологии, в том числе лазерные.

Большой научный и практический интерес к наночастицам и наноматериалам обусловлен тем, что многие их физические, химические и термодинамические свойства существенно отличаются от свойств составляющих их атомов или молекул и свойств макроскопического вещества. Это обстоятельство открывает большие возможности для получения новых материалов и создания новых технологий на их основе. Ожидается, что наночастицы и наноматериалы в недалеком будущем станут играть важную роль в экономике, технологиях и во всех сферах жизни человека.

Уникальные свойства наноматериалов определяются, прежде всего, их структурой на атомарном уровне, в частности, структурой границ раздела и поверхности. Роль, которую играют размер и структура наночастиц, во многих случаях сравнима с ролью химического состава частиц. Это добавляет еще один управляемый параметр для конструирования новых материалов (наноматериалов) и контроля за их поведением. Такие материалы являются многообещающими для перспективных технологических применений, включая наноэлектронику, нанофотонику, биомедицину, хранение информации, связь, оборону, исследование окружающей среды и космоса.

Быстрый прогресс в исследовании наночастиц и наноматериалов обусловлен несколькими причинами. Во-первых разработанные методы нанотехнологии позволяют синтезировать наночастицы практически произвольной формы и состава. Во-вторых, современные методы диагностики дают возможность детально исследовать свойства наночастиц и наноструктур. В-третьих, развитие компьютеров и вычислительных методов позволяет предсказывать и оптимизировать свойства наночастиц и основанных на них устройств. Сегодня можно приготовить и исследовать наночастицы и наноструктуры из металлов, полупроводников и других материалов различными способами. Быстрое развитие как экспериментальных, так и теоретических методов привело к пониманию многих свойств наночастиц и наноматериалов.

Краткий исторический обзор развития

исследований наночастиц и наноматериалов.

Изучение малоразмерных объектов (порошков, пигментов, коллоидов, цеолитов, пленок, кластеров и др.) и квантовых размерных явлений началось давно, задолго до «нанобума», свидетелями которого мы являемся. Археологические находки свидетельствуют о существовании рецептур приготовления коллоидных систем еще в античном мире. Так «китайские чернила» появились более четырех тысяч лет назад, а возраст биологических нанообъектов может исчисляться с момента возникновения жизни на Земле.

Исследования наночастиц проводились в 17-м веке. Антонио Нери, флорентийский священник и мастер по стеклу, в 1612 году в своем трактате «Искусство стекла» описал синтез коллоидного золота. Кункель в 1689 году пересмотрел работу Нери и перевел ее на немецкий язык. Поэтому с именем Кункеля часто связывают открытие о том, что стекло можно окрасить в красный цвет за счет добавления золота. Кункель разработал технологию получения «золотого рубинового стекла», которое выглядело не хуже настоящих рубинов. Считалось, что Кункель унес секрет его изготовления с собой, так как оставленные им сведения не содержали основных технологических условий получения этого ценного стекла необычайно интенсивной окраски. Секреты «золотого рубинового стекла» были заново открыты М.В.Ломоносовым, который разработал всю методику получения «золотого рубина». Согласно этой технологии. Для получения «золотого рубинового стекла» надо в обычное стекло добавить незначительное количество (0,01 – 0,1 %) раздробленных частиц золота диаметром от 4 до 30 мкм.

Несмотря на достижения ранних лет, исследования наночастиц не получили последующего развития. Систематические научные исследования нанообъектов начинаются в 19-м веке, когда М.Фарадей в 1856 – 1857 гг. получает и исследует свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота и пленок на его основе. В 1857 году он выполнил основополагающую работу по коллоидным металлам. Он назвал их разделенными металлами. Фарадей заложил основы этой области исследований, показав, что золи коллоидных металлов являются термодинамически нестабильными и индивидуальные частицы должны стабилизироваться, чтобы не происходила их агрегация. Здесь следует отметить, что золи – это дисперсионные растворы твердых тел в жидкостях. Фарадей установил природу коллоидных частиц металлов небольшого (нанометрового) размера. Что касается золота, то, как утверждал Фарадей, оно должно размельчатся на очень мелкие частицы, которые, становясь диффузными, образуют красивую жидкость разного цвета в зависимости от размера частиц. Ми (1908 г.) и Ганс (1912, 1915 гг.) предложили теоретические основы для описания оптических свойств частиц нанометрового размера, которые широко используются по настоящее время. Фрелих (1937 г.) и Кубо (1962 г.) создали теории, которые предсказали, что электронная структура коллоидных металлов должна отличаться от таковой для макроскопических тел.

В первой половине 20-го века наука о коллоидах была областью исследований лишь нескольких специализированных групп и не получила большого развития. Это стало причиной того, что Освальд издал в 1915 году книгу под названием «Мир обойденных величин». Тем не менее, в это время были достигнуты определенные успехи в разработке методов получения коллоидного золота. Бредик (1898 г.) использовал зажигание дуги между золотыми электродами, помещенный в раствор щелочи. Донау (1905 г.) предложил пропускать газ СО через раствор золотохлористой кислоты. Зигмонди (1906 г.) открыл метод затравки и использовал формальдегид и слабую щелочь для получения золя золота из его солей. Вручение Зигмонди в 1925 году Нобелевской премии по химии частично и за его работы с коллоидами золота не вызвало должного восторга у научного сообщества и не стимулировало развития этой области исследований.

Большой подъем в использовании методов коллоидной химии для получения наночастиц различных материалов произошел во второй половине 20-го века. Определенную роль в этом сыграла лекция лауреата Нобелевской премии Р.Фейнмана, прочитанная в 1959 году. В ней было подчеркнуто принципиальное значение малоразмерных объектов. В своей лекции с названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики» Фейнман акцентировал внимание на важности работ в области сжатия информации, создания миниатюрных компьютеров, дизайна материала и устройств методами молекулярной архитектуры с учетом особенностей биологических объектов. Большие надежды возлагались на химический синтез, причем отмечалось, что законы физики не запрещают конструирования материалов на атомно-молекулярном уровне.

Некоторые идеи Р.Фейнмана позже были развиты Эриком Дрекслером (массачусетский технологический институт, США). В 1986 году вышла его книга «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологий». Основываясь на биологических моделях, автор ввел представления о молекулярных фототехнических машинах. В противоположность традиционному технологическому принципу «сверху вниз» (типичные примеры – измельчение, травление, литография), применительно к миниатюризации интегральных схем было обращено внимание на стратегию «снизу вверх» (имеется в виду атомная и молекулярная сборка, о чем ранее упоминал Фейнман). К этому времени были изобретены также важнейшие и основополагающие приборы для наблюдения и исследования микро- и наночастиц – электронный микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп. С их помощью были разработаны методы исследования малоразмерных объектов, что способствовало быстрому развитию исследований наночастиц и наноструктур.

В 1989 году Доном Айглером в компании IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа была выложена аббревиатура IBM из 35 атомов ксенона (высота букв 5 нм) на грани никелевого монокристалла, что стало мировым рекордом составления самого миниатюрного логотипа. Этот результат подтвердил реальность идеи атомной архитектуры и продемонстрировал уникальные возможности нанотехнологии.

Важнейшими этапами развития науки о наночастицах и нанотехнологии последнего времени можно считать открытие фуллеренов (1985 год), углеродных нанотрубок (в 1991 году описана их структура, графена (получен в 2004 году) и их исследование, а также развитие мощных современных методов получения и исследования наночастиц и наноструктур.

Большой интерес, который проявляется в последнее время к наночастицам и нанотехнологии, обусловлен несколькими причинами. Во-первых, методы нанотехнологии позволяют получать принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими таковые для макроскопических образцов, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д. Во-вторых, нанотехнология оказалась весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники и др. В-третьих, решение проблем нанотехнологии выявило много проблем как в фундаментальных, так и в технических знаниях, что способствовало концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.

В настоящее время (2013 год) в ряде стран мира (США, Объединенная Европа, Япония, Китай, Россия) есть национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие нанотехнологических исследований и разработок. Большое внимание уделяется подготовке кадров.

Источник

НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Дан краткий обзор сегодняшнего состояния и описаны некоторые перспективы в области наноматериалов и нанотехнологий. Изложены основные представления о полупроводниковых, магнитных и молекулярных наноструктурах, рентгеновских многослойных зеркалах, фуллереноподобных и конструкционных наноматериалах. Рассмотрено применение наноструктур в электронике и открывающиеся в связи с этим перспективы в информационных технологиях, технике связи и др. Описаны основы нано- и микроэлектромеханики: технологии, элементная база, приборы и системы. Рассмотрены методы диагностики наноструктур.

Введение

Физика низкоразмерных структур ‑ актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область современной физики твердого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Результатом исследований низкоразмерных систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже широко известных явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляции, а также многое другое. Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании низкоразмерных систем (структуры с квантовыми ямами, самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями). Наиболее выдающиеся достижения в этой области отмечены тремя Нобелевскими премиями по физике (1985 г. ‑ за открытие квантового эффекта Холла; 1998 г. ‑ за открытие дробного квантового эффекта Холла; 2000 г. ‑ за труды, заложившие основы современных информационных технологий).

Развитие этой области открыло возможности конструирования средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций и последующего изготовления с помощью современных высоких технологий наноструктур (сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры и т.д.) с электронным спектром и свойствами, требуемыми для обнаружения и изучения новых физических явлений или для соответствующих приложений. Сконструированные таким образом наноструктуры являются, по существу, искусственно созданными материалами с наперед заданными свойствами.

Вне всяких сомнений, элементная база, основанная на использовании разнообразных низкоразмерных структур, является наиболее перспективной для электронной техники новых поколений. Однако при переходе к системам нанометрового масштаба начинает отчетливо проявляться квантовомеханическая природа квазичастиц в твердом теле. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые эффекты (размерное квантование, конфайнмент, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) будут играть ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе.

Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в процессе изготовления (in situ) и управление на его основе технологическими процессами. По многим прогнозам именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия.

Ниже дан краткий обзор сегодняшнего состояния и некоторых перспектив в области наноматериалов и нанотехнологий, который, как мы надеемся, позволит получить общее представление об этой области. В настоящее время это весьма обширная область, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук. Поэтому более подробное изложение потребовало бы значительно увеличения объема этой статьи.

Наноматериалы

Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними ‑ к нанотехнологиям. Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц (электронов и т.д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики. Проще всего это пояснить на примере полупроводников. Когда по одной или нескольким координатам размеры становятся порядка и меньше длины волны де Бройля носителей заряда ‑ полупроводниковая структура становится резонатором, а спектр носителей заряда ‑ дискретным. То же самое с рентгеновскими зеркалами. Толщины слоев, способных отражать в фазе рентгеновское излучение, лежат в нанометровом диапазоне. В других случаях возникновение нового качества может быть связано с менее наглядными явлениями. Представляется, что такой подход позволяет составить достаточно полное представление о наноматериалах и возможных областях их использования.

Используя методы «зонной инженерии» и «инженерии волновых функций» можно конструировать квантоворазмерные структуры с заданным электронным спектром и требуемыми оптическими, электрическими и другими свойствами. Поэтому они очень удобны для приборных применений.

Квантовые ямы. Этим термином обозначаются системы, в которых имеется размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Первоначально основные исследования квантовых ям проводились на инверсионных каналах кремниевых МОП транзисторов, позднее и до настоящего времени широко исследуются свойства квантовых ям в гетероструктурах. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный), при специальном приготовлении очень высокая подвижность электронов. Основные методы получения квантовых ям на гетероструктурах: металлоорганическая газовая эпитаксия и молекулярно-пучковая эпитаксия.

Приборные применения: высокочастотные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды от ближнего ИК до голубого света, лазеры дальнего ИК диапазона, параметрические источники света среднего ИК диапазона, фотоприемники среднего ИК диапазона, примесные фотоприемники дальнего ИК диапазона, приемники дальнего ИК диапазона на квантовом эффекте Холла, модуляторы в ближнем ИК диапазоне.

Квантовые проволоки ‑ это системы, в которых движение носителей заряда квантовано в двух направлениях. Первые квантовые проволоки выполнялись на основе квантовых ям посредством создания потенциального рельефа с помощью двух затворов, расположенных над квантовой ямой. Основные физические явления в квантовых проволоках: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Основные методы получения квантовых проволок те же, что и квантовых ям, плюс использование прецизионного травления или специальных затворов. Приборных применений пока нет.

Квантовые точки ‑ нанообъекты, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях. Имеют дискретный энергетический спектр (искусственный атом). Основные физические явления в квантовых точках: одноэлектронные и однофотонные явления. Методы получения те же, что и для квантовых ям, однако несколько иные режимы, если происходит спонтанный рост квантовых точек по механизму Странски-Крастанова. Или использование прецизионной литографии для создания квантовых точек из квантовых ям.

Приборные применения: лазеры и светодиоды в ближнем ИК диапазоне, фотоприемники для среднего ИК диапазона, однофотонные приемники, однофотонные генераторы, одноэлектронные транзисторы.

Структуры с туннельно-прозрачными барьерами (системы квантовых ям и сверхрешетки). Основные физические явления в таких системах: резонансное туннелирование; формирование минизонного спектра в сверхрешетках ‑ периодических системах, содержащих много квантовых ям, разделенных туннельно-прозрачными барьерами; нелинейные электрические и оптические явления в сверхрешетках. Методы выращивания этих структур те же, что и для квантовых ям.

Приборные применения: резонансно-туннельные диоды (генераторы и смесители в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах); мощные генераторы и смесители на сверхрешетках: каскадные лазеры среднего и дальнего ИК диапазонов.

Фотонные кристаллы ‑ системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Основные физические явления: отсутствие пропускания (полное отражение) света в определенном диапазоне частот, резонансные фотонные состояния. Существует несколько методов выполнения фотонных кристаллов, но все они пока несовершенны.

Возможные приборные применения: эффективные лазеры с низкими пороговыми токами, системы управления световыми потоками.

Достижением в исследовании магнетизма наноматериалов следует признать открытие эффекта гигантского магнитосопротивления. Суть эффекта заключается в изменении сопротивления (порядка нескольких десятков процентов) многослойной структуры из сверхтонких ферромагнитных и диамагнитных слоев (например, Со/ Cu ) при смене ферромагнитного упорядочения в структуре на антиферромагнитное. Можно сказать, что такие многослойные структуры представляют собой новый тип доменной структуры ферромагнетика, в котором роль доменов играют ферромагнитные пленки, а доменными стенками являются пленки диамагнетика. Этот эффект находит свое применение при создании новых датчиков магнитного поля, а также при разработке сред для сверхплотной записи информации.

Дальнейшее продвижение в область малых размеров привело к открытию нового явления ‑ туннелирования магнитного момента в сверхмалых ферромагнитных частицах. К этой группе наноматериалов относятся искусственные кристаллы, содержащие магнитные кластеры М n ₁₂ и Fe₃. Магнитный момент таких кластеров равен 10 магнетонам Бора, т.е. занимает промежуточное положение между магнитным моментом атомов и макроскопических частиц. Обменное взаимодействие между кластерами в кристалле отсутствует, а магнитная анизотропия весьма высока. Таким образом, появляется возможность квантовых переходов между магнитными равновесными состояниями в кластерах. Изучение этих процессов представляется интересным и важным с точки зрения разработки элементной базы квантовых компьютеров.

Двумерные многослойные структуры из пленок нанометровой толщины

В данном случае рассматриваются такие комбинации материалов, которые обеспечивают наиболее сильное отражение электромагнитных волн. Длина волны излучения, эффективно взаимодействующего с многослойной структурой, и ее период связаны соотношением , где ‑ это угол скольжения падающего луча. Диапазон длин волн, в котором эффективно использование этих устройств, простирается от экстремального ультрафиолетового излучения ( нм) до жесткого рентгеновского ( нм), т.е. диапазон, в котором наиболее длинные волны в 6000 раз больше самых коротких. Для видимого света это соотношение равно

2. Соответственно, столь же велико количество явлений природы, физические проявления которых находятся в этой спектральной области.

Структуры представляют собой искусственные одномерные кристаллы из пленок нанометровой толщины, и кроме возможности их использовать для управления излучением в зависимости от материалов слоев (диэлектрик, полупроводник, металл, сверхпроводник), они могут быть интересны и для других физических приложений. Так, если одним из материалов многослойных наноструктур служит сверхпроводник, то это система множественных последовательно включенных совершенно идентичных джозефсоновских переходов. Если металл чередуется с полупроводником ‑ это система последовательно включенных диодов Шоттки.

В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01-0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на исследуемые объекты или формировать параллельные пучки. В частности, их применение увеличивает эффективность рентгеновских трубок в 30-100 раз, что делает возможным заменить синхротронное излучение в ряде биологических, структурных и материаловедческих исследований. Приблизительно в этом же диапазоне лежит излучение высокотемпературной плазмы (лазерной и ТОКАМАКов). Здесь зеркала нашли применение как дисперсионные элементы для спектральных исследований.

В диапазоне 0,6-6 нм лежит характеристическое излучение легких элементов от бора до фосфора. Здесь рентгеновские зеркала также используются для исследования спектров в приборах элементного анализа материалов.

Рентгеновская многослойная оптика широко применяется для формирования фильтрации и управления поляризацией в синхротронных источниках. В области 10-60 нм лежат линии излучения солнечной плазмы. Объективы космических телескопов из рентгеновских зеркал и сейчас находятся на орбите и регулярно передают на Землю изображение Солнца на линиях Fe IX‑Fe XI (17,5 нм) и Не II (30,4 нм).

Особое место занимает применение многослойных зеркал в технологиях микроэлектроники. Мы являемся свидетелями и участниками крупнейшего события в твердотельной электронике: это переход на длину волны более чем в 10 раз короче (от 157 нм к 13 нм) в литографии ‑ процессе, обеспечивающем получение рисунка полупроводниковых приборов и интегральных схем. Именно длина волны излучения, используемого для получения рисунка, отвечает за размеры его минимальных элементов. До сих пор изменение длины волны излучения от поколения к поколению литографических установок не превышало 25%. Одновременно в 10 раз повышаются требования к точности изготовления всех элементов оптики и механизмам настройки и экспонирования. Фактически это означает переход всех обрабатывающих технологий на атомарную точность. Неучастие в этом процессе может оставить страну в прошлой цивилизации.

Органические материалы в последнее время интенсивно вовлекаются в нанотехнологии и как неотъемлемые участники технологическою процесса (например, в нанолитографии), и как самостоятельные объекты и устройства ‑ в так называемой молекулярной электронике.

Многообразие органического мира хорошо известно (около 2 млн синтезированных соединений, и это количество непрерывно растет) ‑ от «полунеорганических» комплексов (углеродные кластеры, металлоорганика) до биологических объектов (ДНК, гемы). С точки зрения материалов для нанотехнологии и молекулярной электроники условно можно выделить три основных класса: полимеры, молекулярные ансамбли (molecular assemblies, selfaggregated systems) и единичные молекулы: последние называются также «умные» или «функциональные» молекулы (smart molecules).

Первый класс изучается наиболее давно и по общей совокупности работ, наверное, наиболее интенсивно. Кроме того, диэлектрические, оптические и люминесцентные свойства различных поли- и олигомеров уже широко используют в технике и электронике, они стоят ближе всего к рынку и экономическому эффекту.

Вообще системы, построенные в основном на Ван-дер-Ваальсовых или водородных связях, представляют собой очень перспективный с точки зрения дизайна твердого тела объект с двумя уровнями свободы: внутримолекулярная структура, которая может быть модифицирована (изменена при синтезе) и которая ответственна, например, за поглощение или испускание света; межмолекулярная структура, которая может быть изменена при росте кристалла (пленки, эпитаксиального слоя), и которая ответственна за фазовые явления, транспорт носителей заряда, магнитные свойства. В качестве примера: фталоцианин меди и периферийно-фторированный фталоцианин меди структурно изоморфны, однако представляют собой полупроводники — и -типа, соответственно. Полностью органические выпрямляющие переходы на основе вакуумно-осажденных слоев интенсивно исследуются в настоящее время. Вместе с тем, допирование пленок фталоцианина сильным акцептором (например, йодом) изменяет фазовую структуру вплоть до получения квазиодномерной металлической проводимости.

Важную группу составляют также самоорганизующиеся монослои (self-assembled monolayers, SAM’s) на основе органических молекул или цепочек различного строения, которые исследуют как перспективные передающие материалы при литографии, так и для изучения электропереноса вдоль контура сопряжения молекулы. Здесь уже начинается третий класс.

Третий класс или способ применения органических материалов в нанотехнологиях самый молодой. Это то, что в западных конкурсах называется emergent или futuristic technologies (внезапно возникающие или футуристические технологии). Если жидко-кристаллические дисплеи, технологии CD-R, фотопреобразователи, сенсоры и другие устройства на органических материалах хорошо известны и постепенно (хотя и медленно ‑ из-за понятного торможения со стороны уже широко инвестированного и раскрученного «силиконового» и GaAs-ного приоритета) приходят на рынок, то одномолекулярные устройства (приборы) в реальном производстве отсутствуют. Более того, если макроскопические свойства классических органических твердых тел (молекулярных кристаллов) имеют удовлетворительное теоретическое описание, то процессы, ожидаемые в одномолекулярных устройствах, видятся гораздо менее отчетливо. Самый упрощенный подход: берем некую молекулу, которая представляет собой хорошо организованную квантовую систему, делаем к ней электроды и получаем, например, диод. Тут сразу возникает много новых вопросов. В частности, граница металл/молекулярный полупроводник даже на макроуровне весьма неопределена.

И тем не менее истинно «наноразмерные» эффекты ожидаются именно в этом классе. Конструируются молекулярные наномашины и наномо-торы (роторы), динамические молекулярные переключатели, транспортировщики энергии, устройства распознавания, хранения информации. Для исследования инжекции носителей и туннельного тока в отдельных молекулах совершенствуются методы зондовой микроскопии.

Следует впрочем не забывать, что в числе главных достоинств (если не самые главных) органики находятся дешевизна и доступность. Изощренный синтез новых соединений делает их едва ли не дороже высокочистых неорганических веществ, поэтому наибольшие практические перспективы имеют исследование и модификация (оптимизация) широко распространенных и изученных (более или менее) соединений с высокой стабильностью и способностью интегрироваться (не обязательно) в разработанные технологические процессы. Из наиболее известных ‑ это фталоцианины, фуллерены, политиофены и полиарены.

Графит, алмаз и не всеми признанный карбин в течение долгого времени считались основными аллотронными состояниями углерода. Их применяли во многих отраслях промышленности и техники, в том числе в микро- и оптоэлектронике. За 10 лет до конца XX века были обнаружены сначала в космосе, а потом получены в лаборатории новые молекулярные формы углерода ‑ фуллерены и фуллереноподобные индивидуальные вещества и материалы. В конце прошлого века по фуллеренам (их получению, исследованию и применению) каждый год выходило в свет до 1000 и более публикаций. Обнаружено, что самоорганизация фуллереновых структур происходит повсюду: в космосе, в природных процессах на Земле, в промышленных процессах (черная металлургия), в лабораториях. Свойства и структура этих материалов настолько разнообразны и интересны, что фуллереновые материалы начинают широко применять в промышленности: от микро- и наноэлектроники до эффективных медицинских препаратов.

К фуллереновым материалам, полученным и изучаемым в настоящее время, относятся следующие:

· Фуллерены. Они образуют молекулярно-кристаллические твердые тела, часто вследствие большого размера и высокой симметрии своих молекул ‑ пластические кристаллы без температуры плавления. Они образованы молекулами , имеющими форму либо сфер, либо эллипсов, хотя возможны их другие комбинации (полусферы с цилиндрами из углерода). Возможны многослойные сферы или эллипсы («оолитовые» или «луковичные» структуры). Размер молекул главного представителя фуллеренов составляет 1 нм, и в растворе молекулы обладают свойствами броуновской частицы;

· Углеродные нанотрубки. Они образованы из свернутых по различным направлениям графитовых плоскостей и закрыты на концах сетчатыми углеродными полусферами. Такие «графитовые» нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Последние могут быть переведены окислением и травлением в однослойные. Углеродные нанотрубки могут иметь разветвления и изгибы. В этом случае они теряют исходную «графитовую» структуру и не называются «графитовыми». Однослойные нанотрубки имеют размеры от 1 до 10 нм в диаметре и длину 100-1000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10-100 раз больше. Твердые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или коллинеарных (но более коротких) образований;

· Наполненные фуллерены (эндо-производные). Наполнением могут быть молекулы инертных или других газов, небольшие органические и неорганические молекулы, атомы металлов (щелочных, щелочноземельных, лантанидов и др.). Несмотря на трудности получения и малый выход таких производных, присущие им свойства заставляют исследовать их синтез и возможные применения. Эти производные в большинстве своем имеют крайне низкие потенциалы ионизации по сравнению с металлами, и, по-видимому, обладают металлическими свойствами;

· Наполненные углеродные нанотрубки. Помимо перечисленного выше для наполнения могут быть использованы фуллерены меньшего диаметра;

· Неорганические нанотрубки ( , и др.).

Патентная литература и применения фуллереноподобных материалов чрезвычайно разнообразны. Фуллереноподобные материалы обладают рядом замечательных характеристик, включая химическую стойкость, высокую прочность, жесткость, ударную вязкость, теплопроводность и (что, возможно, важнее всего) электропроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической проводимостью и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными ‑ возможно даже уникальными ‑ материалами для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Химической сборке элементов различных схем благоприятствуют свойства фуллерена, который может образовывать ионы от +6 до ‑6 и в различных матрицах ‑ связи с донорами, акцепторами, свободными радикалами и ионами. Фуллерены могут также использоваться при создании средств молекулярной оптоэлектроники для фемтосекундной оптоволоконной передачи информации. Полимеризация фуллеренов при электроннолучевом или ионизирующем воздействии дает возможность получать резисты нового поколения.

Углеродные нанотрубки используются в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов и в дисплеях с полевой эмиссией, в высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах со схемами из коротких нанотрубок, подвергнутых манипулированию и сборке. Молекулярный характер фуллереновых материалов позволяет разработать химическую стратегию сборки этих элементов в пригодные для использования структуры, материалы и возможно даже молекулярные электронные устройства.

Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность.

Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований свидетельствует о высокой перспективности следующих основных направлений в области разработки конструкционных материалов: изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы, создание наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, создание наноструктурных защитных термо- и коррозионно-стойких покрытий, создание обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с наполнителями из наночастиц и нанотрубок.

В лабораторных исследованиях получены образцы изделий из нанофазной керамики (плотности на уровне 0,98-0,99 от теоретического значения) на основе оксидов алюминия и ряда переходных металлов. Экспериментально подтверждено, что плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластичность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокристаллических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. В перспективе повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного формования керамических и композиционных изделий, что исключает необходимость трудо- и энергозатратной финишной обработки материалов высокой твердости.

В последние годы разработаны нанокомпозитные металлокерамические материалы, в частности, на основе и , значительно превосходящие по износостойкости, прочности и ударной вязкости аналоги с обычной микроструктурой. Повышенные эксплуатационные характеристики нанокомпозитных материалов обусловлены образованием при спекании специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз. Разработка и внедрение в промышленное производство технологии создания нанокомпозитных изделий будет способствовать решению проблемы изготовления высококачественных режущих инструментов.

Повышение коррозионной стойкости наноструктурных покрытий обусловлено, в первую очередь, снижением удельной концентрации примесей на поверхности зерен по мере уменьшения их размеров. Более чистая поверхность обеспечивает более однородную морфологию и более высокую коррозионную стойкость межзеренных границ. Наноструктурные покрытия характеризуются сверхвысокой прочностью. Один из основных механизмов упрочнения обусловлен эффектом скопления дислокаций вблизи препятствий, которыми при уменьшении размеров зерен являются их границы. Важным преимуществом покрытий с наноразмерной структурой является обусловленная повышенной пластичностью возможность снижения в них остаточных напряжений, что позволяет изготовлять покрытия миллиметровой толщины.

Использование диспергированных в полимерной матрице неорганических наполнителей из наноразмерных порошков позволяет существенно повысить огнестойкость пластмасс, являющуюся одним из основных недостатков при использовании их в качестве конструкционных материалов, поскольку продукты сгорания полимеров, как правило, представляют собой ядовитые вещества. Результаты исследований показывают, что снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени. При этом наноразмерные порошковые наполнители не снижают механической прочности и обрабатываемости материалов. Полимерные нанокомпозиты обладают высокой абляционной стойкостью, что открывает перспективы их использования для защиты поверхности изделий, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких температур.

Наноэлектроника

Современный научно-технический прогресс несомненно определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. Последние достижения науки показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей.

Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.

Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника). Новые возможности в повышении мощности, температурной и радиационной стойкости, расширении диапазона частот, улучшении эргономических характеристик приборов открывает направление, в котором синтезируются идеи и технологические достижения вакуумной и твердотельной электроники (вакуумная наноэлектроника).

Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются отдельные слои структуры («зонная инженерия»), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями («инженерия волновых функций»). Наряду с квантово-размерными планарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.

Нанотехнологии призваны решить следующие задачи в электронике:

· резкое повышение производительности вычислительных систем;

· резкое увеличение пропускной способности каналов связи;

· резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат;

· резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и существенное расширение спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;

· создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;

· существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.

Резкое повышение производительности вычислительных систем необходимо в связи с переходом технологии интегральных схем к нанометровому масштабу. В табл. 1 приведен прогноз уменьшения характерных размеров ИС памяти и процессоров ( I TRS Roadmap 2002), в табл. 2 ‑ перспектива уменьшения энергии на одно переключение.

Источник