| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Азбука наноэлектроники. Часть 2: от К до И
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Кафедра «Микро- и наноэлектроника»
Подготовил: Соколов Г. О. (А4-09)
Азбука наноэлектроники
Часть 2: от К до И
2011
Введение
В этой части книги будет изложена только часть терминов и определений, связанных с наноэлекторникой, которые для удобства рассортированы по алфавиту от букв К до И. Для лучшего понимания материала и некоторой терминологии рекомендуется пользоваться дополнительной справочной литературой технического характера.
К
Квантовая проволока (quantum wire) это одномерные электронные системы, наиболее яркими представителями которых являются углеродные нанотрубки и полупроводниковые гетероструктуры. Последние изготавливают с помощью литографической техники за счет вытравливания узкой полоски из гетероструктуры (рис.).
Объект нитеобразной формы с поперечными размерами, удовлетворяющими условию размерного квантования. Потенциальная энергия электрона в таком объекте ниже, чем за его пределами, и за счет малых поперечных размеров (обычно 1–10 нм) движение электрона ограничено в двух измерениях. Движение вдоль оси нити остается свободным, в то время как движение в других направлениях квантуется, и его энергия может принимать лишь дискретные значения.
Иллюстрации
Квантовая проволова, полученная с помощью субмикронной литографии за счет вытравливания узкой полоски из гетероструктуры [1]:
1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (например, AlGaAs), 2 – полупроводник с узкой запрещенной зоной (например, GaAs).
Ссылки
Шик А. Я. Квантовые нити // Соросовский образовательный журнал. 1997. №5. С. 87–92.
Quantum wire // McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms. 6th ed. — The McGraw-Hill Companies, Inc., 2002. — www.answers.com/library/Sci%252DTech+Dictionary-cid-4731863 (дата обращения: 26.07.2010).
Квантовая точка (quantum dot или nano-dot) это частица материала с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно размером 1–10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона ограничено во всех трех измерениях.
Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и формально соответствует электронному спектру одиночного атома. Однако реальная квантовая точка может состоять из сотен тысяч атомов. Минимальный и максимальный размеры квантовых точек зависят от того, из каких веществ она создана: например, для системы InAs–AlGaAs минимальный размер квантовых точек составляет 4 нм, а максимальный размер не должен превышать 30 нм.
Ссылки
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2007. — 416 с.
Gusev A. I. Rempel A.A. Nanocrystalline Materials. — Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. — 351 p.
Крейзинг полимеров (crazing in polymers) является относительно новым, эффективным и высокотехнологичным подходом к созданию нанокомпозитных полимерных материалов и введению различного рода целевых добавок в полимерные пленки и волокна. Данная технология основана на создании пористой наноструктуры в объеме полимера, в которую при определенных условиях деформации (уровень напряжения, природа среды в которой происходит деформация, температура, скорость вытяжки и др.) возможно введение различных добавок, придающих волокну или пленке новые полезные свойства: негорючесть, бактерицидность и др.
Ссылки
Волынский А.Л. Эффект Ребиндера в полимерах // Природа. 2006. №11. — vivovoco.astronet.ru/ VV/JOURNAL/NATURE/11_06/CRAZYING.HTM (дата обращения: 26.07.2010).
Волынский А. Л., Бакеев Н.Ф. Структурная самоорганизация аморфных полимеров. — М.: Физматлит, 2005. 232 с.
Кристаллит (crystallite) твердое тело микронных или субмикронных размеров, представляющее собой трехмерную периодическую решетку из атомов, ионов или молекул, ограниченное замкнутой поверхностью, за пределами которой изменена или нарушена ориентация кристаллической решетки, либо находится газообразная, жидкая фаза или вакуум.
Кристаллиты нанометровых размеров хотя бы в одном измерении называют нанокристаллитами. Кристаллит, имеющий по границам прочные связи с другими кристаллитами, является частью твердого поликристаллического тела. Кристаллит, входящий в состав керамики и имеющий отчетливые границы, наблюдаемые при помощи оптической или электронной микроскопии, обычно называется зерном. При кристаллографических исследованиях часто используется близкий по значению термин «область когерентного рассеяния» (ОКР).
Иллюстрации
Кристаллиты порошков:
а) La0,75Na0,25MnO3–д;
б) Zn3Nb2O8. Автор О. А. Шляхтин, МГУ им. М.В. Ломоносова. Из личного архива.
Л
Лаборатория на чипе (lab-on-a-chip или micro total analysis systems) миниатюрный прибор, позволяющий осуществлять один или несколько многостадийных (био) химических процессов на одном чипе площадью от нескольких мм2 до нескольких см2 и использующий микро- или наноскопические количества образцов для пробоподготовки и проведения реакций.
Для создания «лабораторий на чипе» (lab-on-a-chip, LOC) используются технологии фотолитографии, микро- и нанофлюидики *), прецизионного конструирования, наносенсорики и др., применяемые в микроэлектромеханических системах (МЭМС). LOC отличаются от обычных биомикрочипов, выполняющих, как правило, одну реакцию (например, гибридизацию нуклеиновых кислот) возможностью осуществлять последовательные химические превращения исходных образцов, включая стадии разделения, концентрирования, смешивания промежуточных продуктов, перемещения их в различные реакционные микрокамеры и считывания конечных результатов. Основные преимущества LOC заключаются в простоте их использования, высокой скорости проведения анализа, малом количестве образцов и реагентов, необходимых для получения результата, а также хорошей воспроизводимости результатов благодаря использованию стандартных технологий и автоматизированного оборудования в ходе изготовления и применения. В перспективе LOC смогут выполнять исследования, проводимые в настоящее время в специализированных лабораториях на дорогостоящем оборудовании, например, диагностику онкологических и инфекционных заболеваний непосредственно у постели больного или экспресс-анализ загрязнения окружающей среды в полевых условиях. Также существует перспектива будущего применения лабораторий на чипе в качестве микрореакторов в синтетической химии.
*) Микро/нанофлюидика — раздел гидродинамики, изучающий поведение малых (порядка микро- и нанолитра) объемов и потоков жидкости.
Литография, нанопечатная (nanoimprint lithography) это технология, предназначенная для переноса изображения наноструктуры или электронной схемы на подложку с покрытием и включающая деформацию покрытия штампом с последующим травлением деформированного покрытия и формированием на подложке наноструктуры или элементов электронной схемы.
В нанопечатной литографии изображение образуется за счёт механической деформации полимерного покрытия (резиста) пресс-формой (штампом), а не путем изменения химической структуры покрытия с помощью облучения, как в литографии с экспонированием. Исключение из технологического процесса облучения резиста через маску упрощает производство. С помощью нанопечатной литографии можно получать наноструктуры размером менее 10 нм на достаточно больших площадях, что недоступно для всех других методов литографии.
Иллюстрации
Схема нанопечтной литографии (остатки резиста на вдавленных участках анизотропно
вытравливаются): (1) подложка, (2) резист, (3) штамп.
Ссылки
Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М., Наука-Физматлит, 2007. - 416 с.
Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. - М.: Бином, 2007. - 134 с.
Люминесценция (luminescence) это не связанное с нагревом свечение вещества, обусловленное процессами преобразования поглощенной веществом энергии любой природы в энергию оптического излучения.
Механизм люминесценции заключается в образовании под действием энергии от внешнего и внутреннего источника возбужденных состояний атомов, молекул, кристаллов и последующего испускания ими квантов света (фотонов).
По длительности свечения, определяемого временем жизни возбужденных состояний, различают флуоресценцию (быстро затухающую люминесценцию) и фосфоресценцию (длительную люминесценцию).
Люминесценция классифицируется в соответствии с механизмом ее возбуждения, в соответствии с которыми определяют следующие виды люминесценции:
• фотолюминесценция;
• электролюминесценция;
• хемилюминесценция;
• катодолюминесценция;
• рентгенолюминесценция;
• радиолюминесценция;
• сонолюминесценция.
Наибольшее применение в фотонике нашли источники и преобразователи светового излучения, в которых используется электролюминесценция (светодиоды, инжекционные полупроводниковые лазеры и усилители) и фотолюминесценция (люминесцентные покрытия, лазеры и усилители на основе редкоземельных элементов и т. д.).
Изучение спектров люминесценции — один из важнейших спектральных методов исследования состава и структуры вещества. Используя люминесцентные методы можно определять размер, концентрацию и пространственное распределение наночастиц, времена жизни возбужденных состояний (например, неравновесных носителей заряда в объемных и в наноразмерных полупроводниковых структурах) и т. д.
В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии ее применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С.И. Вавиловым.
Ссылки
Вавилов С.И. Собрание сочинений. Т. 2. — М., 1952. С. 20, 28, 29.
Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. Оптика твердого тела и систем пониженной размерности. — М.: Пульс, 2008. С. 125.
Люминесценция // Химическая Энциклопедия. Т. 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990. С. 614.
М
Магнон (magnon) это квазичастица, соответствующая кванту спиновых волн в магнитоупорядоченных средах.
Магнон по отношению к спиновым колебаниям играет ту же роль, что и фонон — к колебаниям кристаллической решетки. Время жизни магнона определяется затуханием спиновых волн. Магноны в значительной степени определяют термодинамические, кинетические, оптические и другие свойства ферро- и антиферромагнетиков.
В кристаллах с несколькими магнитными подрешетками (например, антиферромагнетиках) могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры.
Ссылки
Магнон // Большая Советская энциклопедия. 3-е изд., 1969–1978.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — 928 с.
Макропоры (macropores) это поры диаметром более 50 нм.
Классификация пор по размерам на микро-, мезо- и макропоры рекомендована Международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC). В отличие от более мелких мезопор, в макропорах не происходит капиллярной конденсации, а на изотермах адсорбции макропористых систем отсутствует гистерезис. Удельная площадь поверхности макропористых материалов мала и составляет до нескольких квадратных метров на грамм образца. Для определения размера макропор обычно используют метод ртутной порометрии. В сорбентах и катализаторах доля макропор, как правило, невелика; они играют роль транспортных каналов, обеспечивающих свободное движение адсорбата или реагентов (продуктов реакции) внутри пористого тела.
Ссылки
Everett D.H. Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units: Appendix II: Definitions, terminology and symbols in colloid and surface chemistry. Part 1: Colloid and surface chemistry // Pure Appl. Chem. 1972. V. 31. P. 577–638.
Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. — Новосибирск: Наука, 1999. — 470 с.
Маска (mask или projection mask) это твердотельная плоская пластина с непрозрачным изображением топологического рисунка, имеющая прозрачные для облучения области вне рисунка (позитивный процесс); для негативного процесса прозрачными являются области топологического рисунка.
Маска является одним из важнейших элементов фотолитографической технологии микроэлектроники. Для того чтобы нанести рисунок схемы на пластину, с помощью управляемой компьютером машины (степпера) выполняется фотолитография. Целью ее является создание в слое материала фоторезиста «окна» заданной конфигурации для доступа травителя к расположенной под этим слоем пластине полупроводника с окисной пленкой. Такие «окна» образуются при экспонировании фоторезиста в потоке ультрафиолетового излучения лазера, в результате фоторезист теряет (или приобретает) растворимость. Конфигурацию «окон» задают соответствующие маски, после применения которых полученное изображение концентрируется с помощью специальной системы линз, которая уменьшает заданный на маске шаблон до требуемых размеров схемы. Кремниевая пластина закрепляется на позиционном столе под системой линз и перемещается с его помощью таким образом, чтобы были последовательно обработаны все размещенные на пластине микропроцессоры. Ультрафиолетовые лучи от лазера проходят через свободные пространства на маске. Под их действием светочувствительный слой в соответствующих местах пластины приобретает способность к растворению и затем удаляется органическими растворителями.
Ссылки
EUV-литография // «История компьютера», 2007–2010. — chernykh.net/content/view/430/637/ (дата обращения: 27.06.2010).
Н
Нанобиотехнология (nanobiotechnology ) это область науки на стыке биологии и нанотехнологии, которая охватывает широкий круг технологических подходов, включая: применение нанотехнологических устройств и наноматериалов в биотехнологии; использование биологических молекул для нанотехнологических целей; создание биотехнологических продуктов, свойства которых определяются размерными характеристиками (для объектов, размер которых лежит в дипазоне 1–100 нм); использование биотехнологических подходов, в основе которых лежит принцип контролируемой самоорганизации наноструктур.
Размеры биологических макромолекул — нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и белков (антигены, антитела, вирусные капсиды, ферменты и др.), находятся в нанодиапазоне. Нанообъекты не биогенной природы (например, наночастицы металлов или полупроводниковые квантовые точки) могут быть носителями биомакромолекул, предназначенных для целевого воздействия на определенные биологические мишени. С другой стороны, биологические макромолекулы могут являться средством доставки не биогенных наночастиц в орган-мишень для диагностического или терапевтического воздействия. Примерами использования биологических макромолекул в нанобиотехнологии является так называемая ДНК-нанотехнология, использующая упорядочную структуру молекул ДНК для разработки наноструктур определенной формы, а также разработка наномашин, прообразами которых являются молекулярные моторы живых клеток. Разработки в области нанобиотехнологии находят практическое применение в медицине, пищевой промышленности, охране окружающей среды и др.
Ссылки
Gazit E. Plenty of room for biology at the bottom. An Introduction to Bionanotechnology. — London: Imperial College Press, 2007. — 183 p.
Пул-мл. Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. 3-е изд. — М.: Техносфера, 2007.
DNA nanotechnology // Wikipedia, the free encyclopedia. — en.wikipedia.org/wiki/DNA_ nanotechnology (дата обращения: 27.06.2010).
Наночастицы, магнитные терапевтические (magnetic nanoparticles for therapeutic use или ferromagnetic nanoparticles, superparamagnetic nanoparticles) это наночастицы, имеющие постоянный или наведенный магнитный момент и применяемые в медицине для диагностики и лечения заболеваний.
Магнитные наночастицы, используемые в терапевтических целях, могут состоять из ферро-, ферримагнитных или суперпарамагнитных материалов. Основное их достоинство — это возможность бесконтактного управления их перемещением в организме с применением внешнего магнитного поля. Наиболее широкое применение в медицине находят наночастицы на основе оксидов железа со структурой шпинели (магнетит, маггемит).
Магнитные наночастицы в терапевтических целях редко применяют в чистом виде. Обычно их инкапсулируют или помещают в биоинертные матрицы (различные органические соединения или полимеры, в том числе природного происхождения) с целью снижения возможного токсичного воздействия магнитной фазы, повышения ее физико-химической устойчивости и создания возможности иммобилизации на поверхности таких капсул или матриц лекарственных препаратов. Капсулирование обычно проводят в суспензиях ультрадисперсных ферро-, ферри- и суперпарамагнитных частиц, содержащих стабилизирующие реагенты и получивших название «магнитные жидкости».
Одной из областей применения магнитных наночастиц в медицине является адресная доставка лекарств. К ее основным преимуществам относят возможность значительного уменьшения токсического действия лекарств на другие органы и системы организма, возможность направлять и удерживать в определенном месте наночастицы с лекарством при помощи магнитного поля, визуализировать их методами магнитно-резонансной томографии. Важным свойством магнитных наночастиц является возможность осуществлять их локальный нагрев высокочастотным магнитным полем для инициации механизма десорбции/декапсулирования лекарств или для проведения магнитной гипертермии. Для адресной доставки лекарств в качестве магнитного носителя обычно используют суперпарамагнитные частицы, поскольку после воздействия магнитного поля они не агрегируют, однако при этом происходит снижение мощности магнитного воздействия, что усложняет перенос и удерживание частиц в непосредственной близости от целевого объекта, особенно при мощном воздействии кровотока.
Ссылки
Leary S. P., Liu C. Y., Apuzzo M. L. Toward the emergence of nanoneurosurgery. Part II. Nanomedicine: diagnostics and imaging at the nanoscale level // Neurosurgery. 2006. V. 58. P. 805–823.
Hofmann A., Wenzel D. et al. Combined targeting of lentiviral vectors and positioning of transduced cells by magnetic nanoparticles // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V. 106. P. 44–49.
Наноэлектроника (nanoelectronics) это область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.
В современном научном сообществе термины «наноэлектроника» и «наноэлектронные технологии» используются в двояком смысле. С одной стороны, под наноэлектроникой понимают продукт эволюционного развития микроэлектронной транзисторной технологии на основе кремния в сторону дальнейшей миниатюризации и увеличения степени интеграции, что необязательно подразумевает приборную реализацию квантово-размерных эффектов. С другой стороны, под этим термином понимают совокупность электронных приборов, устройств и технологий их производства, основанных, прежде всего, на новых эффектах (размерное квантование, кулоновская блокада, использование примесных атомов в качестве кубитов для квантовых компьютеров и т. д.). При масштабе порядка десятков нанометров характерные размеры элементов становятся соразмерными некоторым фундаментальным физическим характеристикам (например, длине экранирования, длине пробега электрона, длине волны де Бройля), что предполагает появление новых физических эффектов и наличие некоторых фундаментальных физических ограничений на возможности таких приборов. В этом проявляется особенность наноэлектроники по сравнению с микроэлектроникой, опирающейся на макроскопические законы классической физики.
Ссылки
Герасименко Н., Пархоменко Ю. Кремний — материал наноэлектроники. — М.: Мир Материалов и Технологий, Техносфера, 2007. — 352 с.
О
Одноэлектронный перенос (single electron transfer) это промежуточная стадия многих органических и биохимических реакций, в которой происходит переход одного электрона от донора к акцептору.
Широко распространен в природе. По сути представляет собой окислительновосстановительный (редокс) процесс. Как правило, в результате переноса образуется состояние с разделенными зарядами: DA → D+A– (D — донор, A — акцептор электрона).
Перенос электрона играет важную роль во многих биохимических реакциях. Например, одна из важных стадий фотосинтеза — перенос электрона через бислойную клеточную мембрану. Он начинается от димера бактериохлорофилла (P) и включает серию переходов электрона от одного вещества к другому (рис.). Конечный акцептор электрона — молекула хинона (QB).
Иллюстрации
Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая процесс переноса электрона в реакционных центрах пурпурных бактерий. P — димер бактериохлорофилла, под действием света переходящий в возбужденное состояние P*, которое служит донором электрона. BChl — бактериохлорофилл, BPh — бактериофеофитин, QA — промежуточный хинон, QB — хинон-акцептор электрона. На каждой стадии указано время переноса электрона.
Ссылки
Еремин В. В. Квантовая динамика окислительно-восстановительных реакций // Природа. 2006. №5. С. 15–22.
Чупахин О.Н. Одноэлектронный перенос в органической химии // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, №10. С. 33–37.
Hoff A. J., Deisenhofer J. Photophysics of photosynthesis. Structure and spectroscopy of reaction centers of purple bacteria // Physics reports. 1997. V. 287. P. 1–247.
Островок (island ) это в физике поверхности — термин, обозначающий группу атомов на поверхности, связанных между собой.
При островковом механизме роста зарождение новой фазы или нового слоя начинается с образования стабильных островков (зародышей) размером больше критического. По мере протекания процесса размер островков увеличивается, а затем происходит срастание островков и формирование сплошного слоя. В зависимости от условий роста, островки могут иметь размер от нескольких атомов до нескольких микрон. Островки могут быть трехмерными, двумерными и одномерными; могут быть из того же материала, что и подложка, или из другого.
Заключение
Искренне надеюсь, что эта книга оказалась полезной читателю. Учитывая, что данная работа была создана небольшой группой энтузиастов, хотелось бы верить, что она сможет вдохновить следующие поколения на подобные труды, которые в последующем, возможно, смогут вылиться во что-то качественно новое. |
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: Grif (29.05.2011)
|
| Просмотров: 1525
| Рейтинг: 5.0/1 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
