
Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362
.pdf
ГЛАВА 8 Материалы
добавляя полупроводящий порошок в пенообразное поверхностно активное вещество (ПАВ). Ему с коллегами удалось вырастить не сколько нанокристаллов разной формы (например в виде стержней
или сфер) с помощью разных ПАВ.
Поверхностно-активное вещество — это вещество (например стиральный порошок), которое после добавления в жидкость увеличивает проникающую способность жидкости за счет уменьшения ее поверхностного натяжения.
Аливисатос с коллегами получили полупроводящие нанокристал лы в виде двухмерных стержней и определили условия, которые
позволяют контролировать форму и размеры этих нанокристаллов.
Принципы изменения формы еще до конца не ясны, но вполне воз можно, что она определяется характером взаимодействия атомов жидкости и ПАВ. Регулируя эти условия, ученые вырастили не сколько разных типов нанокристаллов (вытянутые стержни и огра
ненные кристаллики), образцы которых показаны на рис. 8.2.
Рис. 8.2. Нанокристаллы кварца |
|
Кроме того, ученым удалось показать, что нанокристаллы в фор |
|
ме стержней испускают поляризованный свет вдоль своей длинной |
|
оси, в отличие от сферических нанокристаллов, которые испускают |
|
неполяризованный свет. Благодаря этому свойству такие нанокри |
|
сталлы удобно использовать в качестве биологических маркеров. |
173 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Аливисатос с коллегами обнаружили, что граница между энер гиями излучения и поглощения у стержней больше, чем у сфер. Это
свойство позволит улучшить характеристики светоизлучающих ди одов, которые поглощают часть излучаемого света. Поскольку на
нокристаллические стержни можно плотно упаковать с предпочти тельной ориентировкой (как бревна на складе, рис. 8.3), их можно
использовать в светодиодах и фотогальванических элементах.
Ученые научились выращивать нанокристаллы причудливой фор
мы, например в виде капельки, стрелки и даже в виде рычага. На нокристаллы такой формы еще не получили никакого конкретного применения, но, вполне вероятно, они будут полезны в будущем. На пример, структуры типа тетрапод в форме рычага (рис. 8.4) можно
будет использовать в качестве соединителей в наноэлектронике.
Рис. 8.3. Нанокристаллические стержни
174 |
Рис. 8.4. Нанокристаллы в виде тетрапода |

ГЛАВА 8 Материалы
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
Полупроводниковые наночастицы, которые способны захваты
вать электроны и локализовать их в малой области, называются
квантовыми точками (quantum dots). Они способны испускать свет с разной длиной волны, в зависимости от собственного размера и уровней энергии. Уровнями энергии можно управлять за счет изме нения размера, формы и заряда квантовой точки. Разницы уровней
идлина испускаемого света связаны между собой. Изменение раз
мера квантовой точки изменяет разницы уровней энергии, что в свою очередь влияет на длину испускаемого света, то есть цвет излучения. Эта взаимосвязь цвета излучения и размера квантовой точки являет ся характерным свойством наномасштабного мира.
Квантовый провод (quantum wire) и квантовая яма (quantum well) аналогичны квантовой точке, но ограничивают движение элек тронов по двум измерениям для провода (как вдоль узкой скважины)
ипо одному для ямы (как вдоль стенок колодца), тогда как в точке оно ограничено по трем измерениям (как в клетке). Движение электронов
ограничивается на расстояниях порядка длины волны де Бройля.
Длина волны де Бройля — это мера количественного соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц. Если частица имеет энергию E и импульс p = mv, то с ней связана волна, частота которой ν = E/h и длина λ = h/p = h/mv.
Это ограничение определяет уровни энергии и квантовый выход |
|
(то есть количество событий при поглощении одного фотона излуче |
|
ния). Квантовые точки могу служить в качестве кубитов (qubit) — |
|
элементов квантового компьютера. |
|
Квантовая точка — это фрагмент проводника или полупроводника, ограниченный |
|
по всем трем пространственным измерениям в области не более 10 нм и содержа- |
|
щий электроны проводимости. |
|
Как и атомы, квантовые точки можно изучать только с помощью |
|
самых мощных современных спектроскопических и микроскопиче |
|
ских методов. Квантовые точки определенного размера обладают |
|
характерным цветом, и, несмотря на крошечный размер, их можно |
|
заметить по этому цвету (конечно, не по отдельности, а в достаточно |
|
большом скоплении). |
|
Чем больше квантовая точка, тем ближе ее спектр излучения |
|
к красному концу видимой части всего спектра электромагнитного |
175 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
излучения, а чем она меньше, тем ближе ее спектр излучения к си нему концу. Некоторые ученые считают, что форма квантовой точки также оказывает влияние на ее цвет, но для окончательного вывода
требуется провести дополнительные исследования этой зависимости.
|
БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ |
|
Еще одно важное применение квантовых точек связано с их ис |
|
пользованием в качестве флуорофоров, то есть флуоресцентных био |
|
логических маркеров, для обнаружения раковых опухолей с помо |
|
щью флуоресцентной спектроскопии. |
|
Как уже упоминалось выше, регулируя размер квантовой точки, |
|
можно регулировать длину волны ее излучения. С помощью такого |
|
механизма медики и ученые научились настраивать квантовые точки |
|
для определенных целей. Например, они могут фиксировать проник |
|
новение таких биологических маркеров внутрь клеток сквозь мембра |
|
ны (это явление подробнее описывается в главе 6). Подобные марке |
|
ры никогда не «выцветают», то есть не теряют способности излучать |
|
свет с определенной длиной волны. Это свойство упрощает работу |
|
ученых, которые пытаются разгадать внутриклеточные механизмы. |
|
В настоящее время в качестве биологических маркеров исполь |
|
зуются органические красители. Однако по мере появления новых |
|
технологий визуализации прежние биологические маркеры на осно |
|
ве органики постепенно вытесняются новыми маркерами на основе |
|
квантовых точек. Помимо прочего, биологические маркеры на основе |
|
квантовых точек обладают повышенной яркостью (благодаря боль |
|
шому значению квантового выхода) и стабильностью. |
|
В настоящее время ученые изучают сферические нанокристаллы |
|
на основе сульфида кадмия и селенида кадмия. Такие нанокристал |
|
лы способны излучать свет разного цвета в зависимости от своего |
|
размера. Именно они используются в качестве флуоресцентных био |
|
логических маркеров. В конфокальной микроскопии объект облу |
|
чается фотонами, которые стимулируют флуоресцентное излучение |
|
в биологических маркерах. |
|
Нанокристаллы удобно использовать для визуализации сосудов |
|
и переноса медикаментов в режиме in vivo. Именно для этого их |
|
применяют Мария Акерман (Maria Akerman), Уоррен Чан (Warren |
|
Chan) и Эркки Руослахти (Erkki Ruoslahti) из Университета шта |
|
та Калифорния в Сан Диего (США). Они показали, что нанокри |
|
сталлы, покрытые легочными пептидами, помогают визуализировать |
176 |
легочные ткани мышей. Кроме того, нанокристаллы с другими пеп |

ГЛАВА 8 Материалы |
|
тидами позволили визуализировать кровеносные и лимфатические |
|
сосуды раковой опухоли. Эти результаты наводят на мысль об ис |
|
пользовании наночастиц не только для визуализации, но и для высо |
|
коточной доставки медикаментов к месту назначения. |
|
Для изучения некоторых популяций клеток медикам часто тре |
|
буется использовать разные комбинации биологических маркеров. |
|
Для некоторых измерений необходимо анализировать сразу несколь |
|
ко цветов излучения, что очень сложно технически при использова |
|
нии обычных органических красителей. Биологические маркеры на |
|
основе новых нанотехнологий позволяют легко и быстро решить эти |
|
проблемы. |
|
По видимому, новые методы визуализации помогут ученым и ме |
|
дикам придумать новые способы диагностики и лечения сложных |
|
заболеваний. Например, для визуализации и лечения повреждений |
|
и болезней внутренних органов можно использовать волоконно |
|
оптические зонды с ультрафиолетовой подсветкой. Более того, ана |
|
логичные методы пригодятся для разведки и устранения токсичных |
|
загрязнений в труднодоступных местах, например в ядерных реакто |
|
рах или опасных отходах производства. |
|
ИНСТРУМЕНТЫ АНАЛИЗА НАНОЧАСТИЦ |
|
Помимо методов микроскопии, которые уже описывались ранее |
|
в главе 4, для анализа и изучения свойств наночастиц используются |
|
новые методы и инструменты. |
|
Майкл О’Кифи (Michael O’Keefe) и Кристиан Киселовски |
|
(Christian Kisielowski) из Национального центра электронной ми |
|
кроскопии (НЦЭМ) — National Center for Electron Microscopy, |
|
NCEM — при Министерстве энергетики США разработали новые |
|
высокочувствительные методы анализа наночастиц. С помощью од |
|
ноангстремного микроскопа (One Angstrom Microscope — OЕM) они |
|
достигли наибольшей разрешающей способности в США для иссле |
|
дования наноматериалов, то есть около 0,8 Å (<0,1 нм). |
|
Разрешение этого микроскопа настолько велико, что с его помо |
|
щью можно рассматривать отдельные атомы. Как утверждает Кисе |
|
ловски, так можно соединить теоретические предсказания о разме |
|
рах нанокластеров и экспериментальные результаты. Эксперименты |
|
показали, что атомы ведут себя так, как было предсказано в компью |
|
терном моделировании и теоретических расчетах. |
|
С помощью новых технологий и инструментов ученые НЦЭМ |
|
теперь могут изучать практические каждый атом нанокластера. На |
177 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
пример, атомы кремния в элементе вентиле микросхемы можно рас полагать с беспрецедентной точностью около 0,1 нм.
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
Квантовые точки представляют собой огромный технологиче
ский скачок на пути к твердотельным квантовым вычислениям. Прикладывая небольшое напряжение к квантовой точке, можно управлять электрическим током, который протекает через нее. Та ким образом, появляется возможность выполнять точные измерения
спина и других свойств электрона. Совсем скоро хранение данных
и вычисления на основе квантовых эффектов станут повседневной реальностью.
В отличие от стандартных электронных устройств, в которых для передачи сигналов используется ток заряженных электронов, в
квантовых вычислениях их роль играют спин электрона и поляри
зация света. Этот метод может существенно повысить скорость вы полнения операций и снизить энергопотребление вычислительных систем.
Помимо своего размера, квантовые точки обладают несколькими
другими преимуществами. Благодаря своим лучшим кинетическим и
оптическим свойствам они являются прекрасными кандидатами для использования в усилителях, полупроводниковых лазерах и биоло гических сенсорах (то есть внутри клеток).
Квантовые точки уже появились в электронике и игровой инду
стрии. В самых современных DVD плеерах и игровых приставках
уже используются так называемые голубые лазеры. Еще недавно это
считалось чем то невозможным, пока не были использованы кванто вые точки с излучением синего света.
Более подробно влияние нанотехнологий на вычисления, элек тронику, сенсоры и связь описывается в главах 9 и 10.
Сплавы
Материаловеды и инженеры научились создавать прочные спла
вы еще задолго до того, как начали анализировать их внутреннюю структуру. Сначала разные компоненты сплава нагревали до полного растворения, затем охлаждали. При этом выпадали некоторые ком
поненты, и образовывался прочный и твердый сплав. Действительно, технологии дисперсионного твердения имели
огромное значение для авиации со времен первого полета братьев
178 Райт. Как показал анализ, двигатель их самолета был сделан из

ГЛАВА 8 Материалы
сплава, приготовленного по этой технологии. Через семь лет данная технология стала стандартной для авиационных сплавов.
Сплав — это смесь, состоящая из нескольких компонентов, по крайней мере один из которых является металлом. Например, латунь — сплав меди и цинка, а сталь — сплав железа и углерода.
Вообще говоря, чем меньше расстояние между атомами, тем твер
же сплав. Некоторые компоненты сложных сплавов, например алю миниевого сплава 2219, настолько малы по процентному содержа нию, что их упорядочение не всегда точно известно.
Однако с помощью просвечивающей электронной микроскопии
и методов анализа можно определить размеры, форму и структуру
даже самых крошечных выделившихся фаз — преципитатов. Поскольку преципитаты меняют кристаллическую структуру ма
териала, это может повлиять на его сдвиговую прочность. Инжене ры вынуждены учитывать такое влияние преципитатов на прочность
конструкций для практических применений.
Преципитаты также влияют на термические свойства материала, ведь они могут иметь более высокую или низкую температуру плав ления, чем основной материал сплава.
Ученым из Национального центра электронной микроскопии при
Министерстве энергетики США удалось создать совершенно новый
сплав алюминия, меди, германия и кремния для авиационной и ав томобильной промышленности. Этот сплав имеет чрезвычайно плот ное распределение сверхмалых преципитатов, обеспечивая бóльшую
прочность и стабильность, чем сплав 2219.
Так, изучая атомарную структуру нанодобавок в материалах
с помощью новейших методов электронной микроскопии, ученые на ходят новые способы контроля свойств материалов на наномасштаб
ном уровне.
Нанокомпозиты
Материалы и процессы, используемые для манипулирования на |
|
номасштабными частицами в пластмассах, металлах или керамике, |
|
являются элементами нанокомпозитных технологий. Характерной |
|
особенностью нанокомпозитов является то, что их внутренняя струк |
|
тура очень мелкозернистая и состоит из наномасштабных элементов. |
|
Большая поверхностная площадь этих элементов обеспечивает проч |
|
ность нанокомпозитных материалов. |
179 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Нанокомпозиты — это новый класс материалов, который создается за счет введения наночастиц (наполнителя) в основной макроскопический материал (матрицу).
Например, некоторые нанокомпозиты создаются на основе вне дрения наночастиц силикатной глины в пластмассы или керамику.
Такие сверхтвердые нанокомпозиты уже используются в автомобиль
ной промышленности для создания панелей и ступенек.
Новейшие нанотехнологии, а также методы и инструменты ана лиза отдельных наноструктур и манипулирования ими, открывают перед материаловедами широкий круг возможностей. Теперь они мо
гут комбинировать неорганические, органические и биологические
системы в одной интегрированной сверхструктуре.
Наноматериалы и автогонки NASCAR
Пилоты гоночных автомобилей NASCAR часто получают ожоги от перегрева двигателя, трансмиссии и даже пола. Для предохранения от такого перегрева (до 60 °C) в их автомобилях стали использоваться защитные экраны из наноматериалов.
Когда известный автогонщик Бобби Эллисон посетил Центр космических полетов им. Кеннеди в штате Флорида (США), он с удивлением обнаружил, что
вкосмических аппаратах используется защитный слой, который предохраняет их от перегрева во время спуска в плотных слоях атмосферы. Он решил обсудить с другим гонщиком, Роджером Пенске, возможность применения подобной защиты в гоночных автомобилях.
Вскоре команда Пенске вместе со специалистами NASA и фирмы Rockwell попробовала применить композитный наноматериал NASA для своего гоночного автомобиля Ford Thunderbird. Вес всего покрытия не превысил и пары килограммов. После нескольких тестовых заездов на максимальной скорости около 300 км/ч оказалось, что этот наноматериал позволил снизить температуру перегрева почти на 30 °C.
Если бы такие легкие теплоизолирующие наноматериалы применялись раньше в гонках NASCAR, Formula 1 и многих других гонках, это изобретение могло бы обезопасить и людей, и их машины. Пилоты смогли бы соревноваться
вболее комфортных условиях, а рабочие части машин не перегревались бы и не выходили из строя преждевременно. Такие наноматериалы пригодятся не только астронавтам и пилотам, но и пожарникам и членам спасательных команд.
180

ГЛАВА 8 Материалы
Нанокольца
Ученые из Национального института стандартов и технологий США вместе с коллегами из Швеции и Испании показали, что зо лотое нанокольцо с радиусом около 60 нм обладает удивительными оптическими и электромагнитными свойствами. Причем эти свойства можно настраивать за счет изменения радиуса и толщины кольца.
Дело в том, что при освещении нанокольца внутри и вне его гене
рируются сильные электромагнитные колебания в диапазоне, близ
ком к инфракрасному. Они возникают в результате взаимодействия света с электронами кольца, которые возбуждаются и создают волну колебаний. Параметры этих колебаний зависят от геометрии кольца и длины волны падающего света.
Ученые придумали способ синхронизации электронов и света,
чтобы их колебания имели одинаковую длину волны.
На рисунке 8.5 показана схема электромагнитного поля внутри и снаружи нанокольца с радиусом 60 нм и толщиной 10 нм. Стрел ки указывают направление электромагнитного поля, создаваемого
электронами.
Рис. 8.5. Внутри нанокольца свет создает сильное электромагнитное поле |
181 |

ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Электромагнитное поле внутри кольца имеет частоту, близкую к инфракрасной части спектра, поэтому такие нанокольца можно применять в качестве контейнера усилителя инфракрасных сигна
лов для тестирования молекул. Например, как уже упоминалось в главе 6, ученые могут таким образом изучать поведение белков и химические реакции, облучая их лазером и фиксируя поглощенную
и переизлученную энергию. С помощью подобных экспериментов
внутри нанокольца можно будет получать усиленные инфракрасные сигналы и более точные результаты.
САМОСБОРКА
Александр Вэй (Alexandr Wei), профессор химии Школы наук
в Университете Пэрдью (США), и его коллеги создали нанокольца
из кобальтовых наночастиц.
Эти нанокольца диаметром менее 100 нм способны хранить маг нитную информацию при комнатной температуре. Более того, они создаются с помощью самосборки.
Кобальтовые наночастицы соединяются и образуют наноколь
цо, в котором ведут себя, как крошечные магнитики с полюсами разного знака на противоположных концах. Они ориентированы так, что внутри нанокольца возникает замыкание магнитного по тока. Хотя внутри кольца имеется сильное магнитное поле, сна
ружи его нет.
Такие магнитные нанокольца можно использовать в качестве элементов памяти в устройствах долговременного хранения дан ных и оперативной памяти. Предварительные исследования пока зали, что магнитные состояния нанокольца можно надежно кон тролировать. Например, при включении внешнего магнитного поля нанокольцо можно переключать из 1 в 0, что соответствует двум
состояниям памяти в одном бите. Это значит, что на основе нано кольца и нанопроводов можно создавать наноразмерную электрон
ную память.
Нанопокрытия
Если теннисный мяч покрыть наномасштабным герметиком, то он прослужит в шесть раз дольше, чем обычный мяч с обычным по
крытием. Наномасштабные покрытия используются не только для теннисных мячей, но и для велосипедов и автомобилей. Они повы
шают износостойкость и не так легко царапаются, как обычные по
182 крытия.