| Статистика |
Онлайн всего: 4 Гостей: 4 Пользователей: 0 |
|
Наноматериалы
Ник:grizlovalex
Данный конспект посвящён наоматериалам, их целям, вопросам, стоящим перед ними и методам их решения.
В конспекте: 30 страниц, 6 иллюстраций.
Ключевые слова: наноматериалы, нанообъект, нанотехнологии, наноструктуры.
[size=18][color=blue]Глоссарий[size][color]
Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. К наноматериалам относят объекты, один из характерных размеров которых лежит в интервале от 1 до 100 нм.
Нанообъект – это элемент структуры объемного материала или конденсированная фаза, способная к самостоятельному существованию, с одним или несколькими нано-метрическими (1нм= 10 –9 м) размерами, при условии, что хотя бы одно из физических, химических или механических свойств этого объекта зависит от его размера.
Фуллерены - это недавно открытая природная форма углерода, существующая наряду с уже хорошо известными - графитом и алмазом. Фуллереныпредставляют собой полые внутри кластеры, замкнутая поверхность которых образована правильными многогранниками из атомов.
Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматривать-ся как половина молекулы фуллерена.
Наноструктура (англ. nanostructure) — совокупность наноразмерных объектов искусственного или естественного происхождения, свойства которой определяются не только размером структурных элементов, но и их взаимным расположением в пространстве.
Нанодисперсия, наноэмульсия или наножидкость — это жидкость, содержащая частицы и агломераты частиц с характерным размером 0,1—100 нм. Такие жидкости представляют собой коллоидные растворы наночастиц в жидком растворителе. Вследствие малых размеров включений такие системы обладают особыми физикохимическими свойствами. На долю поверхности в них приходится до 50 % всего вещества. Обладают повышенной поверхностной энергией в связи с большим количеством атомов находящихся в возбуждённом состоянии и имеющем не менее одного свободного электрона на внешнем энергетическом уровне. Нанодисперсии имеют различную природу. В качестве диспергированных веществ могут выступать полиорганосилоксаны, металлические, оксидные, карбидные, нитридные наночастицы, углеродные нанотрубки и т. д. В качестве дисперсионной среды обычно используется вода или этиленгликоль.
Оглавление
1. Введение
2. Что такое наноматериаялы?
3. Области применения наноматериалов
4. Немного истории развития наноматериалов и нанотехнологий
4. Наноматериалы и их структуры
4.1. Полупроводниковые наноструктуры
4.2. Магнитные наноструктуры
4.3. Двумерные многослойныеструктуры из пленок нанометровой толщины
4.4. Молекулярные наноструктуры
4.4. Фуллереноподобные материалы
4.5. Конструкционные наноматериалы
5. Заключение
6. Список литературы
[size=18][color=blue]1.Введение[size][color]
Нанометровый диапазон измерений размеров 1-100 нм открывает новые свойства и подходы к изучению вещества. В этом диапазоне меняются многие физические и химические свойства и нигде так близко не сходятся физика, химия и биология. В настоящее время в данной области накоплен такой значительный теоретический, опытный и методический материал, что возникла необходимость рассмотрения наноматериаловедения как некой междисциплинарной области, имеющей многочисленные разветвления и применения.
Однако следует отметить, что нанометровые объекты хорошо известны с прошлого и позапрошлого веков, например, коллоидные и гетерогенные катализаторы, включающие наночастицы на поверхности носителей. Еще в 1959 г. Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман (Рис.1) прочитал лекцию с аллегорическим названием “Внизу полным-полно места” (Feynman, R.P. 1961.There is plenty of room at the bottom. In Minituarization. New York: Reinhold), которая позднее стала знаменитой. Фейнман рас-сказал аудитории о фантастических перспективах, которые сулит изготовление мате- риалов и устройств на атомном или молекулярном уровне. Он также указал, что тогда возникнет необходимость в создании совершенно нового класса рабочей и измерительной аппаратуры, требуемой для обращения со столь малыми, наноразмерными объектами.
Предсказанная Фейнманом аппаратура появилась лишь в 1980-х гг. (сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы и другие приборы), после чего исследователи обрели “глаза” и “пальцы”, необходимые для создания и изучения свойств таких объектов. Одновременно, был достигнут значительный прогресс в вычислительной технике, что позволило моделировать характеристики материалов в наномасштабе. Эти новые инструменты и возможности стимулировали активность научного сообщества, и ученые различных специальностей стали активно изготовлять и изучать нано- структуры, открывая все новые явления, обусловленные тем, что хотя бы 4 одно из измерений исследуемого объекта меньше критического размера 100 нм. В связи с этим возникла новая парадигма получения материалов, основанная на субмикронной “сборке”. В идеальном варианте (при использовании принципов самоорганизации вещества и “само-сборки”) такие материалы должны создаваться “снизу вверх”, в отличие от практикуемого в настоящее время подхода к ультраминиатюризации “сверху вниз” (т. е. когда мелкие объекты создаются из крупных, например, путем измельчения).
Под термином “нанотехнология” понимают создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной (точнее надмолекулярной) организацией. Такие наноструктуры, построенные “из первых принципов”, с использование матомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты,
которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии (нано-наука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнология – поиском эффективных методов их использования).
________________________________________
Ри́чард Фи́ллипс Фе́йнман (Фа́йнман) (англ. Richard Phillips Feynman; 11 мая 1918 — 15 февраля 1988) — американский учёный. Основные достижения относятся к области теоретической физики. Один из создателей квантовой электродинамики. В 1943—1945 годах входил в число разработчиков атомной бомбы в Лос-Аламосе. Разработал метод интегрирования по траекториям в квантовой механике (1948), а также так называемый метод диаграмм Фейнмана (1949) в квантовой теории поля, с помощью которых можно объяснять превращения элементарных частиц. Предложил партонную модель нуклона (1969), теорию квантованных вихрей. Реформатор методов преподавания физики в вузе.[3] Лауреат Нобелевской премии по физике (1965, совместно с С. Томонагой и Дж. Швингером). Кроме теоретической физики, занимался исследованиями в области биологии.
Рис.1 Ри́чард Фи́ллипс Фе́йнман
________________________________________
[size=18][color=blue]2. Что такое наноматериаялы?[size][color]
Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, не-сколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.
Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.
Наноматериалы — вид продукции наноиндустрии, вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации нано-размерных элементов, обеспечивающих существенное улучшение или возникновение совокупности качественно новых (в том числе, ранее неизвестных) механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств данных материалов, определяемых проявлением наномасштабных факторов.
Разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.
[size=18][color=blue]3.Области применения наноматериалов[size][color]
Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только не-которые из них:
‑ элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазе-ры;
‑ фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
‑ устройства сверхплотной записи информации;
‑ телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперком-пьютеры;
‑ видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
‑ молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
‑ нанолитография и наноимпринтинг;
‑ топливные элементы и устройства хранения энергии;
‑ устройства микро‑ и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
‑ нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электро-химия и фармацевтика;
‑ авиационные, космические и оборонные приложения;
‑ устройства контроля состояния окружающей среды;
‑ целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
‑ биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;
‑ регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вред-ных агентов;
‑ безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.
[size=18][color=blue]4. Немного истории развития наноматериалов и нанотехнологий[size][color]
Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.
1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман (рис.1) впервые прочел лекцию на годичном собрании Амери канского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.
1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конферен-ции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотех-нологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки мате-риалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и уль-тразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).
1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специ-альный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).
1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.
1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государ-ственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный науч-ный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехноло-гиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция"
[size=18][color=blue]4. Наноматериалы и их структуры
4.1. Полупроводниковые наноструктуры[size][color]
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 раз-мерное 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 электро-нов. 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 транс-порт. 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 не-сколько 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, фото-приемники для среднего ИК диапазона, однофотонные приемники, однофотонные ге-нераторы, одноэлектронные транзисторы.
Рис. 2.1 и 2.2
Рис.2.1 а) — Квантовая яма из арсенида галлия на подложке;
б) — квантовая проволока и квантовая точка, полученные методом литографии.
Рис.2.2 Этапы формирования квантовой проволоки или точки методом электронно-лучевой литографии:
а) — изначальная покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке;
б) — облучение образца через маску;
в) — конфигурация после растворения проявителем облученной части радиацион-но-чувствительного защитного слоя;
г) — формирование маски для последующего травления;
д) — состояние после удаления оставшейся части чувствительного защитного слоя;
е) — состояние после стравливания частей материала квантовой ямы;
ж) — окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления.
Структуры с туннельно-прозрачными барьерами (системы квантовых ям и сверхрешетки). Основные физические явления в таких системах: резонансное туннели-рование; формирование минизонного спектра в сверхрешетках ‑ периодических системах, содержащих много квантовых ям, разделенных туннельно-прозрачными барьера-ми; 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 сверх-решетках: каскадные лазеры среднего и дальнего ИК диапазонов.
Фотонные кристаллы ‑ системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов (Рис. 3). Основные физические явления: отсутствие пропускания (полное отражение) света в определенном диапазоне частот, резонансные фотонные состояния. Существует не-сколько методов выполнения фотонных кристаллов, но все они пока несовершенны.
Возможные приборные применения: эффективные лазеры с низкими пороговыми то-ками, системы управления световыми потоками.
Рис. 3 Фотонные кристаллы
[size=18][color=blue]4.2. Магнитные наноструктуры[size][color]
Развитие методов напыления сверхтонких пленок и нанолитографии привело в последнее десятилетие к активному изучению магнитных наноструктур. Стимулом этой активности является идея о создании новых магнитных наноматериалов для сверхплотной записи и хранения информации. При этом предполагается, что каждая частица несет один бит информации. Если расстояние между частицами составляет 100 нм, то ожидаемая плотность записи – 10 Гбит/см2. Принципиальными ограничениями плотности записи при таком подходе являются магнитостатическое взаимодействие частиц и значи-тельные термические флуктуации. Последние имеют существенную специфику для малых ферромагнитных частиц, которая проявляется в экспоненциальном росте вероятно-сти распада намагниченного состояния с уменьшением размера частицы (суперпарамагнетизм).
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 сверх-плотной 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 Мn12 и Fe3. Магнитный момент таких кластеров равен 10 магнето-нам 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.
[size=18][color=blue] 4.3. Двумерные многослойные
структуры из пленок нанометровой толщины[size][color]
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 ко-тором 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, сверх-проводник), они могут быть интересны и для других физических приложений. Так, если одним из материалов многослойных наноструктур служит сверхпроводник, то это си-стема множественных последовательно включенных совершенно идентичных джозефсоновских переходов. Если металл чередуется с полупроводником ‑ это система по-следовательно включенных диодов Шоттки.
В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01 - 0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на ис-следуемые 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 микро-электроники. Мы являемся свидетелями и участниками крупнейшего события в твердо-тельной 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.
[size=18][color=blue]4.4. Молекулярные наноструктуры[size][color]
Органические материалы в последнее время интенсивно вовлекаются в нанотехнологии и как неотъемлемые участники технологическою процесса (например, в нано-литографии), 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, ге-мы). 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 электрони-ке, они стоят ближе всего к рынку и экономическому эффекту.
Второй класс молекулярные ансамбли нанометровых размеров - изучается сравнительно недавно. К ним относятся, например, агрегаты на основе порфиринов (в том числе хлорофилла) и других амфифильных молекул, получаемые из растворов. Супрамолекулярная (то есть надмолекулярная, иерархическая) организация сложна и интересна, ее исследование и связь с (фото-) электрическими свойствами проливает свет на биологические и природные процессы (клеточный транспорт, фотосинтез). Обнаружена чувствительность, а главное уникальная избирательность таких систем к внешним воздействиям (свет, атмосфера, вибрация), что позволяет использовать их в различных сенсорах, в том числе со смешанной электронноионной проводимостью. Исследуются наноразмерные молекулярные стержни и проволоки (molecular rods and wires), в том числе в качестве интерфейса между неорганическими материалами (например, двумя металлическими электродами). Предполагается, что со временем будет происходить интегрирование с классической приборной базой.
Вообще системы, построенные в основном на Ван-дер-Ваальсовых или водород-ных 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 медлен-но 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 наномоторы (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.
[size=18][color=blue]4.4. Фуллереноподобные материалы[size][color]
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, от-носятся следующие:
• Фуллерены (рис.4). 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 воз-можны их другие комбинации (полусферы с цилиндрами из углерода). Воз-можны многослойные сферы или эллипсы ("оолитовые" или "луковичные" структуры). Размер молекул главного представителя фуллеренов составляет 1 нм, и в растворе молекулы обладают свойствами броуновской частицы;
Рис.4 Примеры Фуллиренов.
• Углеродные нанотрубки (Рис. 5). Они образованы из свернутых по различным направлениям графитовых плоскостей и закрыты на концах сетчатыми угле-родными полусферами. Такие "графитовые" нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Последние могут быть переведены окислением и травлением в однослойные. Углеродные нанотрубки могут иметь раз-ветвления и изгибы. В этом случае они теряют исходную "графитовую" струк-туру и не называются "графитовыми". Однослойные нанотрубки имеют раз-меры 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;
Рис. 5. Углеродная нанотрубка.
• 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 произ-водных, 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.
[size=18][color=blue]4.5. Конструкционные наноматериалы[size][color]
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 коррозионностойких 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 одно-родную морфологию и более высокую коррозионную стойкость межзеренных границ. Наноструктурные покрытия характеризуются сверхвысокой прочностью. Один из основ-ных 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.
[size=18][color=blue]5. Заключение[size][color]
В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что развитие науки о наноструктурах и, прежде всего, о квантовых наноструктурах (нанофизики) и нанотехнологий даст возможность получения наноматериалов с качественно новыми свойствами. Развитие наноэлектроники и наномеханики послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, средств связи, в решении проблем качественно нового уровня жизни и пр. Успех в развитии этих направлений определится, по сути, решением двух основных проблем: разработка надежных способов создания наноматериалов и нанообъектов с требуемыми свойствами, включая использование методов поатомной сборки и эффектов самоорганизации; разработка новых и развитие существующих методов нанодиагностики с атомным разрешением. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в недалеком будущем многие проблемы будут решены.
[size=18][color=blue]6. Список литературы[size][color]
1. «Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение», Гочжун Цао, Ин Ван; Перевод с англ. — А.И. Ефимова, С.И. Каргов, науч. ред. — В.Б. Зайцев
- Переплет, 520 стр. Год издания: 2012
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Наноматериал - свободная энциклопедия.
3. http://project46368.tilda.ws/ - УЧЕБНО-СЕТЕВОЙ ПРОЕКТ "НАНОФАБРИКА"
4. https://ria.ru/nano_spravka/20081203/156376525.html - Нанотехнологии и области их применения.
5. http://www.microsystems.ru/files/publ/601.htm - НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХ-НОЛОГИИ |
| Категория: Конспекты (курсы КП и ПК) | Добавил: grizlovalex (06.01.2017)
| Автор: Грызлов А. Н. (Б14-В77)
|
| Просмотров: 1310
| Рейтинг: 5.0/1 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
