Загальні запитання та завдання для самостійної роботи № 4

1. Розмірні ефекти в наносистемах. Особливі властивості речовини в нанометровом діапазоні розмірів. Причини їх виникнення.

2. Причини зміни фізичних властивостей (температури плавлення, па-раметров кристалічної решітки, теплоємності, температури Дебая) наноматеріалів в порівнянні з макросистемами.

3. Квантомеханічні ефекти.

4. Залежність температури фазових переходів від розміру наночасток.

5. Магнітні властивості матеріалів. Ефект Мейснера. Магнітні наноматеріали. Приклади.

6. Особливі властивості наноречовин. Їх вплив на хімічні властивості.

7. Оптичні властивості колоїдних систем і наноматеріалів ( приклади залежності «колір речовини-розмір наночасток»). Світлорозсіювання, формула Релея, Ефект Тиндаля. Що таке метаматеріали ?

8. Особливі властивості наноматеріалів. «Розумні матеріали" як база для створення програмно-апаратних комплексів з, мініатюрних комп'ютерів і виконавчих нанопристроїв.

9. Феромагнітна рідина та її властивості.

10. Причини зміни фізичних властивостей наноматеріалів. Температура плавлення. Міцність.

11. Параметри кристалічної гратки. Зміна міжатомних відстаней і параметрів при переході від масивних кристалів до наночасток.

12. Механічні, магнітні та оптичні властивості наноматеріалів. Фотонні кристали.

13. Види хімічного зв'язку в нанооб'єктах.

14. Тунельний ефект. Прилади на основі тунельного ефекту.

15. Велике співвідношення поверхні наноматеріалів до об'єму - основна властивість нанооб'єктів. Розгляньте фізико-хімічні аспекти поверхневих явищ в наноструктурах.

16. Розгляньте залежність температури плавлення наночасток алюмінію від їх радіусу. Поясніть це явище. Яким рівнянням описується ця закономірність?

17. Теплоємність. Основна причина зміни термодинамічних характеристик нанокристалів в порівнянні з масивною речовиною. Температура Дебая. Залежність молярної теплоємності від середнього радіусу частинки r та температури Дебая.

18. Корпускулярно-хвильовий дуалізм нанооб'єктів. Енергія фотону. Формула Ейнштейна. Зв'язок довжини хвилі де Бройля з імпульсом частинки. Квантові межі точності вимірювань.

19. Принцип невизначеності Гейзенберга. Хвильова функція і ймовірнісний характер поведінки квантових об'єктів. Рівняння Шредінгера, формула Планка. Квантові розмірні ефекти.

20. Надпровідність та надплинність. Ферміони та бозони.

21. Ефект Мейснера. Магнітні властивості наноматеріалів.

22. Квантова телепортація. Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена. Як розвиток нанотехнологій створює умови для реалізації фантастичних проектів – космічний ліфт, телепортація, невидимі матеріали?

23. Відсутність дислокацій - причина колосальної міцності нанодротів і нанотрубок. Поясніть цей тезіс на конкретних прикладах.

24. Принцип створення поверхонь з "ефектом лотосу". Надгідрофобність.

25. Капілярні явища. Змочування і розтікання, крайовий кут, змочування, формула Юнга. Нанопористі речовини, їх унікальні властивості.

26. Чому температура плавлення металевих нанооб'єктів зменшується на сотні градусів? Поясніть на конкретних прикладах.

27. Яке рівняння, дозволяє оцінити розмір частинок з якого властивості нанофази почнуть відрізнятися від властивостей звичайного матеріалу? Розрахуйте на прикладі срібла та його температури плавлення.

28. Добре відомо, що звичайне срібло не розчиняється в розведених кислотах (крім нітратної). Чи будуть розчинятися з виділенням водню у слабких кислотах (типу оцтової) наночастки ( кластери) аргентуму. Поясніть з точки зору розмірного ефекту.

29. Як змінюються каталітична активність наночасток металів та інших речовин? Наведіть 5 реакцій або технологічних процесів, які це демонструють. Як проявляється хімічний нанорозмірний ефект?

30. Квантові точки - штучні атоми наносвіту. Квантові розмірні ефекти. Тунельний ефект.

Самостійна робота № 5

Методи діагностики та дослідження наноструктур і наноматеріалів. Зондові методи мікроскопії та спектроскопії: атомно-силова, скануюча тунельна, магнітно-силова та ін.

Розвиток нанотехнологій, пізнання природи і розробка інструментів аналізу та діагностики глибоко взаємопозв’язані. Чим досконаліші інструменти, тим більш точну інформацію ми можемо отримувати, тим вирогідніші наші знання про природу. Так, наприклад, до відкриття телескопу людині були недоступні знання, а ні про форму, ні про структуру нашої Галактики. А до винаходу скануючих мікроскопів ніхто і не підозрював про існування унікальних карбонових сполук - фулеренів і нанотрубок. З іншого боку, більш досконале мислення дозволяє винаходити більш точні інструменти та прилади, що часом на порядки перевершують можливості існуючої технології.

Англійський фізик Джон Релей в XIX ст. сформулював принцип, відповідно до якого граничний дозвіл мікроскопа не може бути більше половини довжини хвилі світла, що опромінює об'єкт. Наприклад, якщо опромінювати об'єкт червоним лазером з довжиною хвилі 600 нм, то межа дозволу виявиться в 300 нм. Для вивчення нанооб'єктів, дозволу оптичних мікроскопів (навіть якщо використовують ультрафіолет) явно недостатньо. У зв'язку з цим в 1930 рр.. виникла ідея використовувати замість світла -електрони, довжина хвилі яких, як ми знаємо з квантової фізики, в сотні разів менше, ніж у фотонів. Існує велика кількість різних типів електронних мікроскопів, серед яких найбільш популярний растровий електронний мікроскоп (РЕМ). Головний недолік електронної мікроскопії - необхідність роботи в повному вакуумі, адже наявність якого або газу всередині камери мікроскопа, може привести до іонізації його атомів і суттєво спотворити результати. Окрім того, електрони надають руйнівну дію на біологічні об'єкти, що робить їх непридатними для дослідження в багатьох областях біотехнологіі.

На початку 1980 скануючі зондові мікроскопи (СЗМ) здивували науковий світ першими зображеннями поверхні кремнію, на яких можна було розрізнити окремі атоми в структурі. З тих пір пройшло вже декілька десятиліть і скануюча зондовая мікроскопія стала одним з найбільш важливих та інформативних методів у дослідженні поверхні матеріалів і в нанотехнології. Сьогодні СЗМ дозволяє виробляти різні операції, починаючи з простого аналізу шорсткості поверхні, до отриманням вражаючих тривимірних зображень окремих атомів, наноструктур або живих клітин! Створення СТМ стало значним кроком в освоєнні наносвіту.

СТМ дозволяє побачити деталі поверхні з дозволом в соті і навіть тисячні частки нанометру. Скануючі зондові мікроскопи забезпечують атомарний дозвіл і працюють не тільки в вакуумі, а й у газовому та рідкому середовищі. Сьогодні вони є основним аналітичним обладнанням нанотехнологів. В СЗМ існує два типи методів: це скануюча туннельна мікроскопія, в який зонд - це загострене вістря дроту (провіднику) та атомно-силова мікроскопія - де використовуються кантилевери - мікроскопічні балки з вістрям на кінці.

Скануючий тунельний мікроскоп.Основою СТМ є дуже гостра голка, що ковзає над поверхнею, майже торкаючись її (зазор між голкою і поверхнею становить менше одного нанометра). При цьому внаслідок тунельного ефекту між вістрям голки і поверхнею зразка виникає тунельний струм. Сильна залежність тунельного струму від відстані (при зміні зазору на одну десяту нанометра струм змінюється в 10 разів) забезпечує високу чутливість мікроскопу. Баланс голки на настільки малій відстані від досліджуваної поверхні забезпечується системою, що управляє п’єзоманіпулятором за результатами вимірювання тунельного струму. Образно кажучи, тунельний мікроскоп як би «бачить» розподіл електронних хмар поблизу поверхні. Рух зонду над поверхнею зразка здійснюється за допомогою спеціальних п’єзодвигунів, здатних створювати запрограмовані комп'ютером переміщення з кроком в сто мільярдні частки метра (0,01 нм або 0,1 Å). Розрізняють два принципи роботи СТМ (принципі виміру тунельного струму), які застосовуються для досліджень різних матеріалів і зразків.

1. У режимі постійної висоти вістря голки переміщується в горизонтальній площині над зразком, а ток тунелювання змінюється. 2. У режимі постійного струму використовується система зворотного зв'язку для підтримки постійного струму шляхом підстроювання висоти скануючого пристрою над поверхнею в кожній точці.

У кожного режиму є переваги і недоліки. Режим постійної висоти більш швидкий, але при цьому можна отримати корисну інформацію тільки з відносно гладких поверхонь. У режимі постійного струму можна з високою точністю вимірювати нерегулярні поверхні, але процес займає більше часу.

Атомно-силовий мікроскоп. У СТМ є недолік: з його допомогою можна вивчати тільки матеріали, що добре проводять електричний струм. У 1986 р. Біннінг, один з винахідників СТМ, запропонував конструкцію нового скануючого приладу, що вимірює не тунельний струм, а силу зв'язків між атомами речовини. Новий прилад був названий атомним силовим мікроскопом (АСМ). У ньому реєструють зміни сили тяжіння голки до поверхні. Голка розташована на кінці кантилеверу, здатного згинатися під дією невеликих міжатомних сил, які виникають між поверхнею зразку та кінчиком вістря. Зонд "обмацує" поверхню зразка. Найдрібніші відхилення кантилеверу детектуються за допомогою лазерного променю, що відбивається від його тильній поверхні на фотодіод. По зміні показань фотодіоду судять про рельєф об'єкту. Існує декілька режимів роботи АСМ : а) напівконтактний; б) безконтактний; в) контактний. Атомно-силова мікроскопія виявилася настільки ефективною, що на її основі були створені інші специфічні методики, що дозволяють отримувати картини не тільки рельєфу поверхні, а й багатьох інших показників. Зокрема:

- Електро-силовий мікроскоп (ЕСМ) - в ньому вістря зонду і зразок розглядаються як конденсатор і вимірюється зміна ємності уздовж поверхні зразку.

- Магнітно - силовий мікроскоп (МСМ). Взаємодія зонду з поверхнею зразка дозволяє реєструвати магнітні мікрополя. (МСМ) створює зображення просторового розподілу магнітних полей на поверхні зразка. В МСМ використовують зонди (голки), що вкриті феромагнітним шаром. Система працює в напівконтактному та неконтактому режимі. Визначає зміну у резонансній частоті або фазі коливання кантилеверу, що викликаються залежністю магнітного поля від відстані між голкою та зразком.

- Скануючий тепловий мікроскоп реєструє розподіл температури по поверхні зразка. Його дозвіл- близько 50 нм, так як в менших масштабах така характеристика речовини як температура не може бути застосована.

- Скануючий фрикційний мікроскоп складає карту сил тертя.

- Магніторезонансний мікроскоп дозволяє отримувати зображення спинів окремих електронів, відстежуючи реакцію поверхні на магнітне поле.

- Атомно - силовий акустичний мікроскоп дозволяє дуже точно вимірювати модуль Юнга у кожній точці як м'яких, так і твердих зразків.

Одним з недоліків АСМ є неможливість вивчити глибинну структуру зразка - адже зонд ковзає по поверхні і не може заглянути всередину.

Окремої уваги заслуговує оптичний мікроскоп ближнього поля (SNOM). За принципом дії він нагадує тунельний мікроскоп, але, як зонд застосовується дуже тонка "прозора голка" з оптоволокна, а замість тунельного струму реєструються зміни характеристик при проходженні по ній лазерного променю.

Зондовая нанотехнологія (нанолітографія). Ще одним незвичайним і цікавим методом використання скануючої зондової мікроскопії є те, що він може бути не тільки інструментом дослідження, а й інструментом створення нанооб'єктів. Даний метод отримав назву нанолітографії. Шляхом застосування підвищеної напруги або зусилля зонд може вирвати (захопити) атом з поверхні зразка і потім перенести його в інше місце. Таким чином, виникає можливість поатомного складання будь-яких молекул і наноструктур, а в перспективі - їх виробництво в макроскопічних обсягах. Термінологія, що склалася в скануючої зондової мікроскопії, несе на собі відбиток свого англомовного походження. Так, часто вістря скануючої голки називається "типом" (tip), а консоль - "кантилевер" (cantilever). Для засвоєння цієї теми необхідно чітко розуміти наступні терміни:

Кантилевер - консоль, кронштейн - одна з основних частин скануючого зондового мікроскопа - крихітна балка, товщина якої становить від 0,1 до 5 мкм, ширина - від 10 до 40 мкм, а довжина - від 100 до 200 мкм. Промислове виробництво консолей засноване на двох матеріалах – кремнії і нітриду силіцію. Вістря кантивелерів для АСМ також виготовляють з кремнію, нітриду силіцію або алмазу, а також використовують покриття TiN, W₂C, Pt, Au або магнітних матеріалів Fe-Ni/Cr, Co/Cr, CoSm /Cr. Щоб зробити такі маленькі деталі, використовують процеси літографії, хімічного та фізичного травлення. Для поліпшення світловідбивних властивостей зворотну сторону зонду АСМ зазвичай покривають алюмінієм або золотом за допомогою термічного напилення в вакуумі. Геометрія кантилеверу визначає важливі механічні властивості (в першу чергу, жорсткість і резонансну частоту) і варіюється в широких межах.

k = Ewt³ / 4L³

Формула, визначає константу жорсткості k : де E - модуль Юнга матеріалу кантилеверу, w - ширина, t - товщина, а L - довжина прямокутного кантилеверу.

Дифракційний межа дозволу - мінімальна відстань між двома точками, які сприймаються оком як окремі об'єкти.

Хвиля де Бройля - матеріальна хвиля, притаманна елементарним часткам внаслідок корпускулярно-хвильового дуалізму. Також: критерій Релея,

СТМ, АСМ, тунельний струм, наноіндентор, нанотерези, п’єзосканер, п’єзоманіпулятори, нанотехнологічні CAD-програми, гексапод, платформи Стюарта, нанолітографія, ультрамікротом, п’єзоелектричний ефект.