Введение в нанотехнологии

Введение в нанотехнологии
Элективный курс в программу по
физике для учащихся 10-11 классов
Работу выполнили ученики 11г:
Муратов Р., Поляков Р.
Содержание курса
Глава 1. Квантовые эффекты в нанотехнологиях
Глава 2. Наноматериалы и технологии их
получения
Глава 3. Инструменты нанотехнологий
Глава 4. Нанокластеры, квантовые точки
Глава 5. Углеродные наноструктуры
Глава 6. Фотонные кристаллы – оптические
сверхрешетки
Глава 7. Наноэлектроника
Глава 8. Микроэлектромеханические системы
Глава 9. Нанотехнологии вокруг нас: реальность и
перспектива
Глава 1
Квантовые эффекты в
нанотехнологиях
Волновая природа частиц
h

m
Расположении
энергетических уровней
А) Атом
Эффект туннелирования
а)
б)
E<U
h
Схема перехода частицы через
потенциальный барьер: а – пример
перехода через потенциальный барьер
классической частицы, б –
потенциальный барьер,
в - волна электрона.
в)
Эффект туннелирования
зона проводимости
Eg2
Eg2
Eg1
Eg1
Eg2
Eg1
валентная зона
1
2
А) Барьер
1
1
2
1
Б) Квантовая яма
Формирование квантовых барьеров (А) и квантовых ям (Б).
Квантовые точки и
квантовые нити
А)
Б)
А) Квантовая точка InAs, полученная на подложке InP. Размер изображения 140 на
140 нм.
Б) Квантовые нити, полученные реакцией метилфосфорной кислоты, этанола и
алюминия. Размер изображения 8 на 8 мкм.
Глава 2
Наноматериалы и технологии
их получения
Наноматериалы – материалы с
геометрическими особенностями
размера <100 нм
Уникальные свойства
наноматериалов обусловлены
2-мя основными причинами:
1)
2)
Увеличение доли поверхности
Квантовые эффекты
Классификация
наноматериалов






наночастицы,
фуллерены, нанотрубки и нановолокна,
нанопористые структуры,
нанодисперсии,
наноструктурированные поверхности и
пленки,
нанокристаллические материалы.
Наночастицы. Нанокластеры.
Наночастицами называют частицы, размер которых
меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 108 или
меньшего количества атомов, и их свойства
отличаются от свойств объемного вещества,
состоящего из таких же атомов.
Кластер железа с
растущими
углеродными
нанотрубками
Одиночный
кластер железа
Скопление
кластеров железа
Фуллерены. Нанотрубки и
нановолокна.


Фуллерены – кластеры из
более чем 40 атомов
углерода, по форме
представляющие
шароподобные каркасные
структуры.
В 1991 году были обнаружены
длинные углеродные
структуры, получившие
название нанотрубок.
Нанопористые вещества


Нанопористые вещества представляют собой пористые
вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор
находятся в пределах 1-100 нм. Выделяют микро, мезо- и
макропористые материалы.
Пористость:
Анодное получение
пористого кремния
1-корпус, 2-пластина
кремния, 3-катод, 4изолятор, 5 –растущий
пористый слой, 6-анод
Модельное представление
пористого кремния
Нанодисперсии

Нанодисперсии – системы, состоящие из
жидкой фазы с равномерно растворенными
в ней наночастицами.
Тонкодисперсный
порошок с размером
частиц не более
10 микрон из
природного слоистого
минерала
серпентинит,
получаемого при
помощи тщательного
измельчения
(в различных
масштабах
увеличения)
Наноструктурированные
поверхности и пленки




Самая тонкая пленка состоит из одного
атомного слоя вещества, нанесенного на
твердую или жидкую поверхность. Такие
пленки называют пленками Ленгмюра –
Блоджетт.
Пленки или слои, собранные из
полупроводниковых материалов, называют
гетероструктурами.
Гетероструктура может состоять из
последовательности десятков
полупроводниковых слоев толщиной в
несколько нанометров.
Гетероструктуры создают методом
молекулярно-лучевой, газофазной,
жидкостной эпитаксии, а также методом
самосборки.
Нанокристаллические материалы



Кристаллические материалы, состоящие из наноразмерных
блоков, называются объемными нанокристаллическими
материалами.
Нанокристаллические материалы могут обладать рядом
уникальных характеристик. Например, ряд нанокристаллических
материалов обладают 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.
Технологии «снизу-вверх»




Технология «снизу-вверх» сводится к получению наноразмерного
объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул. В
большинстве технологий сборки наноматериалов из отдельных
атомов лежит явление конденсации.
Конденсация (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) – переход
вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое
вследствие его охлаждения или сжатия.
При конденсационном методе получения наночастиц необходимо
испарить из макроскопического тела атомы, из которых и будет
проходить «сборка». Испарение можно произвести за счет
термического или лазерного разогрева макроскопического тела.
Испаренные атомы необходимо перенести в область пониженных
температур, где и происходит их конденсация в наночастицы.
На основе явления конденсации получают фуллерены, углеродные
трубки, нанокластеры и наночастицы различного размера.
Эпитаксия


В основе технологии
эпитаксии лежит
управляемая конденсация
атомов на поверхности
кристалла (подложки).
Эпитаксия (от греч. ерí – на,
над и греч. táxis –
расположение, порядок) –
ориентированный рост одного
кристалла на поверхности
другого (подложки).
Эпитаксия кристаллов рутила на гематите:
сам кристалл (фото) и отдельная структура
кристалла (электронный микроскоп)
Технология «сверху-вниз»
Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров
тел механической или иной обработкой, вплоть до получения
объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы
можно получить перемалывая в специальной мельнице материал
макроскопических размеров.
Структура, полученная
при помощи литографии
Самоорганизация и самосборка в
нанотехнологиях


Как из отдельных атомов и молекул
возникают сложные организмы и системы?
Как появились первые живые существа на
Земле? Для ответа на них нужно понять
принципы возникновения более сложного из
простого. Процесс возникновения сложных
упорядоченных структур из более простых
называется самоорганизацией.
Науку о самоорганизующихся системах
называют 'синергетикой' (греч. sinergetike –
совместное действие). Главная идея
синергетики – идея о возможности
возникновения порядка и организации из
беспорядка и хаоса в результате процесса
самоорганизации.
Использование самоорганизации
в нанотехнологиях


Одна из важнейших проблем, стоящих
перед нанотехнологией, – заставить
молекулы группироваться
определенным способом,
самоорганизовываться, чтобы в итоге
получить новые материалы или
устройства.
Примером сборки сложнейших
биологических объектов - ДНК .
Глава 3
Инструменты нанотехнологий
Предел увеличения
оптических микроскопов
Закон Релея –
нельзя различить объекты размером меньше половины
длинны волны света.
Предел разрешения
оптических микроскопов
– 200 нм
Увеличить разрешение
можно путем
использования
излучения с длинной
волны, меньшей чем у
видимого света.
Просвечивающая электронная микроскопия
Электроны, в силу
корпускулярно-волнового
дуализма, обладают свойствами
волнового излучения.
Длина волны электрона с
энергией в несколько десятков
КэВ много меньше чем у
видимого света.
В то же время электроны –
заряженные частицы, которыми
можно управлять с помощью
Схема работы просвечивающего
электронного микроскопа
магнитных и электрических
полей.
Сканирующая электронная микроскопия
Электронный луч очень
малой толщины сканирует
поверхность образца.
В каждой точке
измеряется интенсивность
потока отраженных
электронов. На основе
этих данных строится
изображение поверхности
Схема работы растрового электронного микроскопа. 1 – источник электронов;
2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 –
образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 –
анализатор
Полевая ионная микроскопия
Вместо электронов используются ионы с гораздо
меньшей длинной волны, но поток ионов сильно
повреждает наблюдаемый объект.
Ионный проектор
Схема
ионного
проектора
1 — жидкий
водород;
2 — жидкий азот;
3 — остриё;
4 — проводящее
кольцо;
5 — экран
Прибор, где электрод
одновременно служит
наблюдаемым объектом
Изображение полученное с
помощью ионного проектора
Сканирующая зондовая микроскопия
Зонд – тонкая игла, с
помощью которой
поверхность образца
«ощупывается» с
чувствительностью,
позволяющей обнаружить
отдельные атомы.
Обобщенная структурная схема
сканирующего зондового микроскопа.
Атомно-силовая микроскопия
Игла закреплена на конце
тонкой упругой консоли.
Измеряя прогиб консоли
(кантилевера) по известному
модулю Юнга вычисляется
сила взаимодействия
Принцип работы
Атомно-силовой микроскоп
измеряет непосредственное
силовое взаимодействие
атомов на острие зонда с
атомами образца
Кантилевер атомносилового микроскопа
Сканирующая туннельная микроскопия
Принцип работы
сканирующего туннельного
микроскопа
Туннельный ток, протекание
которого описывается
законами квантовой механики,
очень сильно зависит от
расстояния между зондом и
образцом, сканируя
поверхность образца можно
обнаружить возвышения,
соответствующие отдельным
атомам.
Поверхность
кремния в
СТМ
Близкополевая сканирующая оптическая
микроскопия (БСОМ)
Зондом в БСОМ является «световая воронка», которой сканируют
образец. Видимый свет исходит из узкого конца световой воронки
диаметром 10-30 нм и попадает на детектор либо после отражения
от образца, либо пройдя сквозь него. Интенсивность оптического
сигнала регистрируется детектором в каждой точке измерений.
С помощью БСОМ можно формировать изображение поверхности
в видимом свете с разрешением около 15 нм при условии, что
расстояние между источником света и образцом очень мало –
порядка 5 нм.
Уникальность ближнепольной оптической микроскопии, по
сравнению с другими сканирующими методами, состоит в том,
что изображение строится непосредственно в оптическом
диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение
многократно превышает разрешение традиционных оптических
систем.
Нанолитография
Путем приложения
повышенного напряжения
или усилия зонд может
вырвать (захватить) атом с
поверхности образца и
перенести его в другое
место. Таким образом,
возникает возможность
поатомной сборки любых
молекул и наноструктур, а в
перспективе их
производство в
макроскопических объемах
Примеры наноструктур полученных с
помощью СТМ