ЗАКОНЫ НАНОМИРА - МАНИПУЛИРОВАТЬ АТОМАМИ Содержание 1. Нанотехнологии
2. Начало
3. Порядок
4. Атом
5. Квантовая яма
6. Две квантовые ямы
7. Много квантовых ям
8. Главный уровень
9. Список используемой литературы Нанотехнологии Само по себе слово «технология» означает совокупность методов, способов и средств получения веществ и создания материалов. В настоящее время слово это применяется настолько широко, что материалы могут быть, например, виртуальными — если речь идет об информационных или, скажем, политтехнологиях. В этой книге, однако, речь пойдет о более раннем смысле слова — об умении делать с веществом то, что нужно для человека. Приставка «нано» указывает на масштаб длины — нанометр, одна миллиардная часть метра. Нанотехнологи оперируют именно такими масштабами.
На рис. 1.1 вы видите шкалу размеров. В настоящее время элементы современной микроэлектроники, постепенно уменьшаясь, достигли размеров крупных молекул. Их дальнейшее уменьшение переводит дело именно в распоряжение нанотехнологии. 
Рис. 1.1. Шкала размеров Собственно область наноразмеров — интервал 10-1 - 10 нм Начало Общепризнанным основателем нанотехнологии считается американский физик Ричард Фейнман. Именно он сформулировал то, что сейчас считается задачами нанотехнологий: «...Речь идет о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров. Внизу располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь люди будут удивляться тому, что до 1960 года никто не относился серьезно к исследованиям этого мира…» Еще он сказал: «…Понятно, что это сразу снимает и проблему стоимости материалов. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Кроме того, существует еще и проблема «слипания» материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия, которые могут приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов…» 
Рис. 1.2. В мире нанообъектов можно получить изображения не менее красивые, чем в мире подводном. На рисунке — микроленты диоксида олова. «…И, наконец, рискну предложить еще одну идею, которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке! Что произойдет, когда мы научимся реально выстраивать или укладывать атомы поштучно в заданной последовательности?»
Сейчас цитаты из лекции Фейнмана 1959 года — обязательный элемент любой статьи или книги о нанотехнологии. Порядок Все тела состоят из атомов и молекул, для измерений атомных масштабов в свое время была введена единица длины – 1 ангстрем (обозначение 1 Å), равный одной десятой доле нанометра. Еще одно сравнение Фейнмана: «…вот другой способ запомнить размер атома: если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы в яблоке сами станут размером с яблоко». Все вещества могут находиться в одном из трех состояний – газ, жидкость или твердое тело. Если мы возьмем фейнмановский масштаб увеличения, то представление о газообразном состоянии даст комната, в которой около сотни теннисных мячей беспорядочно и беспрерывно прыгают повсюду. Их удары о стенки создают давление газа в сосуде – на рис. 1.3 схематически изображен цилиндр с поршнем, под поршнем находится газ, который вытолкнет поршень из цилиндра, если не приложить к поршню некоторой силы, которая скомпенсирует давление газа. 
Рис. 1.3. Цилиндр с поршнем: кружки со стрелочками условно изображают движение молекул газа. Это движение обеспечивает давление на поршень. 
Рис. 1.4. Слева — квадратная кристаллическая решетка на плоскости Справа — другой пример модельного изображения кристаллической решетки Качественное различие трех состояний вещества определяется понятием порядка. Понятие порядка имеет математически строгое выражение и является одним из ключевых для нанотехнолога. Атом Устройство атома таково: относительно массивное положительно заряженное ядро окружено некоторым числом гораздо более легких и заряженных отрицательно частиц, которые называются электронами. Электроны притягиваются к ядру электрическими силами по закону Кулона.  Создал адекватную модель атома датский физик Нильс Бор. Эта модель такова: электроны в атоме находятся в определенных состояниях с фиксированной энергией или еще говорят: «находятся на определенных уровнях энергии». Такие состояния называются «квантовыми». Таким образом, в первые десятилетия ХХ века выяснилось, что законы движения частиц на атомных масштабах отличаются от законов классической механики. Новые законы движения были названы квантовой механикой. Именно квантовыми законами руководствуется нанотехнолог, именно в этом его главное отличие от всех предшествующих технологов. Квантовые законы никак не соотносятся с нашим бытовым опытом, поэтому нанотехнологу приходится овладевать иными представлениями, иными сравнениями, иными понятиями. Вот несколько предельно ярких ситуаций поведения квантовых объектов, не укладывающегося в рамки классических представлений: 1. Мы не можем знать одновременно, где точно находится частица и с какой точно скоростью она движется. Это квантовый закон, который называется «принцип неопределенности».
2. Любой квантовый объект можно описать и как корпускулу, и как волну. Оба описания одновременно правильны и эквивалентны. Но в определенных обстоятельствах этот объект будет вести себя либо как корпускула, либо как волна.
3. Мы не можем определить, когда электрон перейдет на нижележащий уровень и испустит квант света.. Мы можем определить только вероятность этого события. Квантовая яма Теперь хотелось бы предложить простейшую модель атома, которая была бы полезна для нанотехнолога. В качестве такой модели возьмем обычную домашнюю ванну. Стоячая волна возникает, когда вы нащупаете условия резонанса — расстояние между стенками ванны кратно расстоянию между гребнями. Длиной волны называется расстояние между последовательными гребнями. Вот эта стоячая волна в ванне является вполне адекватным образом электрона в атоме. Физики, правда, предпочитают говорить, что электрон находится не в ванне, а в квантовой яме. 
Рис. 1.5. Потенциальная яма: классическое колебание шарика в яме; он поднимается до некоторого максимального уровня, затем скатывается обратно вниз, затем взбирается на противоположную стенку — и все повторяется. Электрон притягивается к ядру, следовательно, обладая определенной энергией, он не может уйти от ядра дальше, чем на определенное расстояние. На рис. 1.5 схематически изображена условная зависимость энергии электрона от расстояния — можно буквально представить себе шарик, катающийся в яме. На краю у него максимальна потенциальная энергия, но скорость равна нулю, поэтому дальше уйти он не может. Подлетая под действием притяжения к центру, электрон набирает максимальную скорость, пролетает центр и долетает, замедляясь, до другого края «ямы». Две квантовые ямы Представление об устройстве атома полезно нанотехнологу, поскольку его главная задача — строить из атомов наноструктуры, обладающие нужными свойствами. Давайте посмотрим, как взаимодействуют квантовые ямы и что при этом происходит с электронами. 
Рис. 1.9. Две одинаковые квантовые ямы с одинаковым уровнем энергии. Возьмем две одинаковые квантовые ямы, в каждой из которых, как мы условно договорились, есть один квантовый уровень энергии, на котором «сидит» один электрон. Две независимые квантовые ямы — т. е. находящиеся на столь большом расстоянии, что их взаимовлиянием можно пренебречь — изображены на рис. 1.9. Если же мы начнем приближать их друг к другу, то получим «двойную» квантовую яму (рис. 1.10). У двух квантовых ям, находящихся поблизости, взаимное притяжение электрона со стороны каждой из ям компенсируется, «соприкасающиеся» «стенки» ям просто исчезают. В мысленном модельном опыте можно расположить квантовые ямы произвольно, давайте все же оставим между ними барьер, который тоже лучше именовать потенциальным или квантовым. Квантовая яма отвечает притяжению электрона, квантовый барьер — его отталкиванию. 
Рис. 1.10. Объединение двух квантовых ям с одинаковым уровнем энергии. Много квантовых ям Представим большое количество одинаковых квантовых ям, расположенных симметрично, на одинаковом расстоянии друг от друга. Ямы отделены друг от друга одинаковыми барьерами. Соответственно одинаковы вероятности туннельных переходов для каждой пары соседних ям. Условно эта картинка изображена на рис. 1.12. Пусть таких ям мы насчитываем N штук. В этом случае, как и в ранее описанном, проявляется туннельное взаимодействие, которое охватывает все ямы. Электрон равновероятно находится в одной из N ям, проводит в каждой из них 1/ N часть своего времени. 
Рис. 1.12. Квантовая яма с N ямками и расщепление уровня энергии на N подуровней. Первоначальный уровень расщепляется на N подуровней, энергии всех подуровней укладываются в интервал энергий δЕ, который определяется туннельной проницаемостью барьера, «разделяющего» соседние ямы. Т. е. чем больше N, тем гуще по энергии расположены подуровни. Можно сказать, что «первоначально» в каждой независимой яме был один электрон, после «объединения» каждый из N электронов занял свой подуровень и каждый из N электронов принадлежит всей объединенной яме и может быть обнаружен в любой из ямок. Если же количество «объединяемых» ямок бесконечно, то и количество подуровней бесконечно, они «сливаются» в единую полосу, которая называется разрешенной зоной (т. е. зоной разрешенных энергий). Шириной зоны называется разность энергий ее верхнего и нижнего краев, она опять же определяется туннельной проницаемостью барьера, «разделяющего» соседние ямы. Ширина зоны зависит не от количества соединяемых ям, но лишь от меры взаимодействия соседних. Главный уровень Основные свойства кристалла определяются спектром энергетических состояний вблизи уровня Ферми, на то, что «лежит» достаточно глубоко или находится достаточно «высоко», можно обращать гораздо меньше внимания. Самая низкая не заполненная или не полностью заполненная электронами энергетическая зона кристалла называется зоной проводимости — если уровень Ферми находится внутри нее, то этот кристалл — металл, он проводит электрический ток. Такой кристалл к тому же не пропускает свет. 
Рис. 1.17. Поглощение фотона (волнистая линия) с энергией hν в металле. Любой падающий на металл фотон быстро поглощается электроном (рис. 1.17). При этом электрон увеличивает свою энергию на величину энергии фотона и оказывается в состоянии с большей энергией — в металле таких доступных свободных состояний сколько угодно. Такая ситуация: состояние с большей энергией заполнено электроном, а ниже по энергии есть свободное состояние — называется «возбуждением». По той же причине (поглощение фотонов) металлы экранируют радио- и СВЧ излучение, а также хорошо проводят тепло — его носителями являются возбужденные электроны. Итак, подведем промежуточный итог.В металле уровень Ферми лежит в зоне проводимости, именно этот «слой состояний» наиболее важен для определения свойств материала. Чем лучше металл, тем дальше (по энергии) отстоят от уровня Ферми края зоны. Напротив, в диэлектрике уровень Ферми лежит посередине запрещенной зоны, ближайшие разрешенные состояния — это края зоны проводимости и валентной зоны, именно они в этом случае наиболее интересны нанотехнологу. 
Рис. 1.19. Шкала соответствий длин волн и энергий. Энергия измеряется в характерных атомных единицах — электронвольтах (эВ). Это энергия, которую набирает электрон, ускоряясь под действием разности потенциалов 1 Вольт. Именно этот масштаб энергий в расчете на одну частицу весьма важен для нанотехнолога. Границы диапазонов достаточно условны, они несколько отличаются в разных источниках. Границы диапазона видимого света отличаются даже в зависимости от индивидуальных особенностей разных людей. Практически все диапазоны интенсивно используются на практике, в том числе и для целей нанотехнологии.
В столбце частот нет чисел для ИК и следующих строк — обычно о частоте для этих квантов уже не говорят. По аналогичной причине в столбце энергий нет энергий квантов для низкочастотных диапазонов — такие фотоны слишком эфемерны. Чем больше частота, тем более выражены свойства корпускулярные по сравнению с волновыми. В частности, поэтому первые возникшие у людей представления о природе видимого света — это поток «световых корпускул». Последние две строки приведены для сравнения — это уже масштаб энергий ядерных процессов, значительнопревышающих те энергии, что интересуют нанотехнолога.
1 килогерц = 103 Гц (кГц)
1 Мегагерц = 106 Гц (МГц)
1 Гигагерц = 109 Гц (ГГц)
1 Терагерц = 1012 Гц (ТГц)
1 эВ = 1,6×10-19 Дж
Энергия кванта равна hν
Постоянная Планка h = 6,626×10–34 Дж•с
Длина волны λ= с/ν, где с = 3×108 м/с — скорость света. Список используемой литературы Андрюшин Е. А. Сила нанотехнологий:наука&бизнес. - М.: Изд. Век-2, 2007. |