Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

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.

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

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.

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.

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

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.

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.