1. Ю.И.Головин «Введение в нанотехнику», Машиностроение, Москва, 2007 г.

2. М.С.Блантер «Нанотехнологии и наноматериалы», учебное пособие на cd, 2007г.

3. Р.А.Андриевский, а.В.Рагуля «Наноструктурные материалы», academia, Москва, 2005.

4. А.И.Гусев «Наноматериалы, наноструктуры,нанотехнологии»,Физматлит, Москва, 2005.

Текст лекции

Существует много различных причин изменения свойств вещества при переходе к наноразмерам (рис. 1).

Рис. 1. Основные причины специфики нанообъектов.

Проанализируем некоторые из этих причин:

1.При уменьшении размера частиц увеличивается доля атомов или молекул, расположенных на поверхности частицы.Поскольку объем сферической частицы V ~ D³, а площадь поверхности S ~ D², то с уменьшением диаметра чаcтицы D отношение поверхности к объему S/V (~ 1/D) увеличивается. Рис. 2 показывает, что с уменьшением числа атомов в частице доля поверхностных атомов может достигать десятков %%. Поведение атомов на поверхности твердого тела существенно отличается от их поведения в глубине вещества. На поверхности:

• атом имеет другое окружение (другое координационное число) и находится под воздействием других сил межатомной связи;

• наблюдается более высокая скорость диффузии;

• электроны проводимости имеют другую энергию и электронные свойства поверхности отличаются от свойсв в объеме;

• химический состав отличается за счет адсорбции примесей и легирующих атомов;

• другой механизм пластической деформации, чем вдали от поверхности.

Рис. 2. Зависимость средних размеров наночастицы и доли атомов, находящихся в поверхностном слое (зависит от формы наночастицы) от числа атомов в ней. Пунктиром показана условная граница области наночастиц, за которой доля «поверхностных» атомов падает ниже нескольких процентов

В твердом теле есть два класса поверхностей – свободные поверхности (твердое тело – газ) и внутренние поверхности (границы зерен, границы различных фаз). Наличие границ зерен существенно влияет на свойства металлов и сплавов. При уменьшении размера зерен (увеличение площади границ зерен), что достигается термической обработкой или модифицированием обычных материалов (не наноматериалов), существенно повышается пластичность и прочность. Еще сильнее этот же фактор действует в материалах с наноразмерными зернами.Изменение размера частиц в области наноразмеров сильно влияет на очень многие свойства материалов.

Как видно на рис. 3, наиболее сильно свойства изменяются в области малых размеров частиц. Так, температура плавления золота уменьшается существенно, когда размер частиц становится меньше 75 Å (7,5 нм). Аналогично, понизационный потенциал ванадия существенно возрастает, когда число атомов в частице становится меньше 15-20.

Рис. 3. Зависимость температуры плавления Au и ионизационного потенциала V наночастиц от размера и числа атомов N

2.Изменение поведения электронов.

Поведение электрона существенно изменяется (появляются квантовые размерные эффекты), когда длина волны Де - Бройля становится соизмерима с размером области локализации свободных электронов. Существуют несколько классов нанообъектов, в которых один, два, или три размера оказываются наноразмерами. Эти объекты объекты называются квантовыми ямами, проволоками или точками (рис.4). В них длина волны Де – Бройля соизмерима с размером в одном, двух или трех измеренииях, что и определяет различное поведение электронов.

Рис. 4. Последовательность прямоугольных наноструктур

Поведение электронов существенно различается в металлах и полупроводниках. Длина волны Де – Бройля равна , где m^* - эффективная масса электрона, E – его энергия, h – константа Планка. Сделаем некоторые оценки. Для металла m^* ≈ m₀ (масса покоя электрона), E ≈ E _Ферми ≈ 3 – 10 эв, что дает λ_в ≈ 0,1 – 1 нм. Это означает, что квантовые размерные эффекты в металле будут проявлятся в очень тонких пленках или очень малых кристаллах. В полупроводнике m^* ≈ 0,01 m₀, Е ≈ 0,1эв и λ_в ≈ 100 нм. Т.е. в полупроводнике легче создать нанообъекты (квантовые точки, проволоки, ямы) , в которых будут проявлятся квантовые размерные эффекты.

Квантовые точки, проволоки и ямы могут создаваться на поверхности подложки методом электронно – лучевой литографии, соединяться в цепи и создавать различные электронные приборы, например транзисторы. На квантовых точках в системе Ga As/Al Ga As созданы высокочувствительные инфракрасные детекторы. Инфракрасный лазер на полупроводниках также использует квантовые точки.

3.Возможность «самосборки» наноструктур.

Хорошо известный пример «самосборки» – это образование белков. Они образуются последовательным соединением сотен аминокислот, каждая из которых подводится к месту своего присоединения молекулой транспортной рибонуклеиновой кислоты в порядке, предписанным молекулой информационной рибонуклеиновой кислоты

В нанотехнологиях аналогичная «самосборка» происходит под действием межатомных или межмолекулярных сил при осаждении атомов или молекул на подложку. Самоупорядочение приводит к созданию различных полезных наноструктур, используемых для создания электронных приборов.На рис.5 показан рост островков InAs на поверхности GaAs. Примеры такой «самосборки» на микроуровне известены в материаловедении – это эвтектическая кристаллизация с образованием дисперсных структур, атомное упорядочение твёрдых растворов, образование зон Гинье-Престона при старении пересыщенных твердых растворов и даже просто рост кристаллов из жидкой фазы. С увеличением числа атомов или молекул (с переходом от нанообъектов к микро и макрообъектам) такая самосборка в большинстве случаев оказывается невозможной из-за нарастания числа «ошибок».

Рис.5.Изображение последовательного роста островков InAs на плоскости (001) GaAs, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (размер изображений (40-50)*(40-50) нм.

4. Отсутствие дислокаций в малых кристаллах и очистка этих кристаллов от дефектов за счёт так называемых «сил изображения».

Если размер нанокристалла меньше некоторого критического размера L*, то дислокация в таком нанообъекте становится неустойчивой и «выдавливается» из кристалла. Для краевых дислокаций в Cu, Al, Ni, Fe, TiN L*≈25;10;2 и 1 нм соответственно. Таким образом, в наноструктурных материалах зёрна должны быть свободны от дислокаций. В частности, это обстоятельство приводит к высокой прочности углеродных нанотрубок.

Конечно, этот очень краткий обзор причин изменения строения и свойств материалов при переходе в область наноразмеров не исчерпывает проблему,но дает представление об этих причинах.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ТИ-9 «Наноматериалы»

УТВЕРЖДАЮ

Ректор МГУПИ

И.В.Голубятников

« » 2013г.

ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ

по дисциплине 4920

«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

Рекомендуется для направлений подготовки

222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

151001 «Технология машиностроения»

151700 «Технологические машины и оборудование»

220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

150100 «Материаловедение и технологии материалов»

151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Квалификация (степень) выпускника – бакалавр

МГУПИ-2013

.

Лекция№4. Фуллерены и их производные, нанотрубки

Время: 2 часа (90 мин.).

Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор

Содержание лекции.

Полиморфные модификации углерода.Фуллерены.Углеродные нанотрубки. Хиральность и особенности электропроводности. Механические свойства. Методы получения: разрядно-дуговой, лазерное испарение, химический. Применение углеродных нанотрубок.

Литература к лекции: