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

ГЛАВА 3 Что особенного в наномире

нанообработки могут стать самоочищающимися. Теперь у домохозя ек будет больше времени для просмотра сериалов, занятий спортом

и телефонных разговоров с подружками!

Наномасштабные технологии обработки поверхностей позволя ют создавать товары с улучшенными механическими, термическими,

биологическими, электронными, оптическими и химическими свой ствами. Ниже перечислены некоторые перспективные области их применения:

защита от износа инструментов и машин;

защита мягких материалов (например, полимерных, деревян

ных и текстильных);

антивандальные и необрастающие покрытия;

самоочищающиеся поверхностные пленки для текстиля и ке рамики;

антикоррозийная защита для инструментов и машин;

термостойкие покрытия для турбин и двигателей;

термоизоляция для оборудования и строительных материалов;

биологически совместимые имплантанты;

антибактериальные медицинские материалы и инструменты;

сверхтонкие компоненты для транзисторов;

магниторезистивные сенсоры и элементы памяти;

фотохромные и электрохромные окна;

антибликовые экраны;

более эффективные солнечные батареи.

НАНОБОТЫ

Легко можно вообразить себе разнообразные возможности создания новых материалов на атомарном уровне, однако многие проекты прин

ципиально невозможно реализовать. Один их таких фантастических проектов основан на использовании наномасштабных роботов, или

наноботов. Наноботы (или молекулярные монтажники) уже успели стать отрицательными персонажами некоторых фантастических сце нариев, описанных популяризатором нанотехнологий Эриком Дрек

слером (Eric Drexler) в своей книге «Машины созидания»1 (Engines of Creature). Он описал, как наноботы могут стать «серой слизью» (gray goo), пожирающей всех обитателей Вселенной. (В июне 2004 г.

в журнале Nature Эрик Дрекслер признался, что лучше бы никогда

1На русском языке книга официально не издавалась, но перевод

ЧАСТЬ I Открытие

ГЛАВА 3 Что особенного в наномире

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.При изменении диаметра ядра и толщины золотого слоя у на нооболочки меняется:

(а) польза;

(б) цвет;

(в) запах;

(г)узор.

2.Сажа, кокс и активированный уголь — это формы:

(а) свинца;

(б) азота;

(в) ртути;

(г)аморфного углерода.

3.Средневековые стеклодувы пытались найти новые способы окра

шивания стекол, изменяя свойства:

(а) олова;

(б) калия;

(в) золота;

(г)железа.

4.Самосборка микрокапсул и других наночастиц выполняется:

(а) сверху вниз;

(б) снизу вверх;

(в) сбоку;

(г)вдоль оси z.

5.Нанотехнология позволяет создавать материалы на основе:

(а) огромных гранитных блоков;

(б) атомов и молекул;

(в) песка;

(г)метеоритов.

6.Какие наноматериалы делают из кремния, металлов, полупровод

ников и изоляторов?

(а) наностержни;

(б) скульптуры;

(в) наноконечности;

ЧАСТЬ I Открытие

7.На каком месте по распространенности в природе находится углерод?

(а) втором;

(б) четвертом;

(в)шестом;

(г) последнем.

8.Нанобот не представляет собой:

(а) фантазию писателей;

(б) ошибку, о которой жалеет Эрик Дрекслер;

(в)объект, который трудно создать и запрограммировать;

(г) реальную угрозу всему человечеству.

9.Кварцевые шарики диаметром 20–30 нм с золотой оболочкой на зываются:

(а) наношариками;

(б) золотыми глобусами;

(в)нанооболочками;

(г)наногелем.

10.Подход, при котором исходный материал разбивается на более мелкие фрагменты, становящиеся частями большого механизма, называется:

(а) восходящим;

(б) трудоемким;

(в) нисходящим;

(г)экономически выгодным.

ЧАСТЬ I Открытие

ными линзами. Современные ученые для работы с нанообъектами

используют гораздо более мощные и сложные инструменты. Глаз человека способен разглядеть детали величиной не менее 0,1 мм на расстоянии около 25 см от глаз. Чтобы увидеть более мелкие пред меты, нужно использовать микроскоп.

Обычные оптические микроскопы недостаточно сильны, чтобы

с их помощью можно было рассматривать молекулы. Предельное

увеличение оптических микроскопов — около 1000 раз; с их по мощью можно разглядеть детали величиной не менее 200 нм. Для изучения более мелких объектов ученые используют не свет, а элек троны. Именно электронные микроскопы позволяют рассматривать

самые крошечные объекты.

Увеличение микроскопа — это величина, которая указывает, во сколько раз больше выглядит изображение изучаемого объекта по сравнению с его реальным размером.

Для выбора типа микроскопа большое значение имеет несколь ко факторов, включая, например, способность изучаемого объекта

излучать флуоресцентный свет (то есть свет с определенной дли

ной волны), проводить электрический ток или иметь органическую структуру.

ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП

Для изучения свойств нанообъектов ученые используют электрон

ные микроскопы разных типов:

сканирующий электронный микроскоп (scanning electron microscope), или СЭМ (SEM);

просвечивающий электронный микроскоп (transmission electron microscope), или ПЭМ (TEM);

аналитический электронный микроскоп (analytical electron microscope), или АЭМ (AEM).

На выбор одного из этих инструментов для изучения нанообъек та влияет несколько факторов, включая природу нанообъекта и ин

тересующие ученого параметры.

ГЛАВА 4 Наноинструменты

СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (СЭМ)

В СЭМ фокусированный пучок электронов используется для сканирования поверхности тонких и толстых образцов. Полученные снимки дают визуальное представление о трехмерной структуре изу

чаемого объекта. Итоговое изображение складывается из точек, по лученных благодаря последовательному сканированию многих мест поверхности изучаемого объекта.

На рисунке 4.1 показаны некоторые основные компоненты СЭМ.

ЧАСТЬ I Открытие

наиболее мощные современные инструменты способны увеличивать объект в 1 000 000 раз с разрешением около 1 нм.

Разрешение — способность оптического прибора измерять расстояние или угол между близкими объектами.

Фотографию можно увеличить с помощью чрезвычайно мощных

линз, но новых деталей на ней обнаружить не удастся. Дело в том, что увеличение уже полученного изображения не приводит к увели чению разрешения.

Разрешающая способность оптического микроскопа ограничива

ется длиной волны света, дифракцией (степенью отклонения света)

и апертурой (величиной отверстия объектива).

Разрешающая способность — это мера способности линзы или оптической системы показывать раздельно близко расположенные объекты.

Черно белые изображения на экранах мониторов СЭМ представ ляют исследуемый объект, причем более светлые места соответствуют большему количеству отраженных электронов, а менее светлые —

меньшему.

Обычно образцы в СЭМ изучают в условиях вакуума. Чтобы они не сжимались и не изменяли форму под действием вакуума, их нужно тщательно подготовить. Биологические образцы высушива ют и покрывают пленкой, чтобы они не съеживались. Поскольку изображение в СЭМ формируется с помощью электронов, образцы должны проводить электрический ток. На образец, установленный

на специальной платформе, напыляют очень тонкий слой металла, чтобы создать на нем проводящий поверхностный слой.

После откачки воздуха из микроскопа источник посылает пучок электронов высокой энергии через ряд магнитных линз, которые фо кусируют его в одной точке.

Набор отклоняющих катушек (см. рис. 4.1) перемещает фокуси рованный пучок вперед назад, сканируя таким образом поверхность

образца. Пучок электронов попадает на образец и выбивает другие электроны из образца или его проводящего покрытия. Детектор

улавливает отраженные и выбитые электроны и передает сигнал уси лителю. После усиления сигналы от всех сканированных участков

поверхности образца собираются вместе и отображаются на экране

70 монитора.

ГЛАВА 4 Наноинструменты

ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (ПЭМ)

В отличие от СЭМ, который способен анализировать только по

верхность объекта, ПЭМ может заглянуть внутрь образца. Широкий

пучок электронов проходит сквозь тонкий образец и образует кар тинку его внутреннего строения. Пучок электронов в ПЭМ фокуси

руется с помощью магнитных линз, как свет в оптическом микроско пе фокусируется с помощью стеклянных линз.

ПЭМ похож на обычный оптический микроскоп, поскольку он может просвечивать только очень тонкие образцы. Причем на по

лученном изображении более темные места соответствуют большему

поглощению электронов, а менее темные — меньшему. Многие био логические объекты состоят из углерода, азота, кислорода и водо рода. Плотность их компонентов не настолько отличается, чтобы их можно было различить с помощью ПЭМ. В таких случаях биологи

с помощью специальных химических процедур добавляют в образец

краску с атомами тяжелых металлов, которые связываются с опреде ленными атомами и молекулами и образуют четкое изображение.

С помощью ПЭМ можно рассматривать объекты, в 1000 раз мень шие, чем объекты, доступные для просмотра с помощью оптического

микроскопа, и в 500 000 раз меньшие, чем невооруженным глазом.

Разрешение ПЭМ равно примерно 0,1–0,2 нм. Именно на таком рас стоянии друг от друга находятся атомы в твердых телах.

Просвечивающие электронные микроскопы с пучками высоких энергий используют для анализа сверхмалых нанообъектов и изуче

ния их свойств:

размера и формы;

внутренней структуры и ее сложности;

состава;

упорядочения атомов и молекул;

физических свойств (температуры плавления, твердости, проч ности, проводимости, реактивности).

Современные ученые способны видеть гораздо больше, чем Гук,

Левенгук и их современники. Теперь можно заглянуть внутрь клет ки, хромосомы, белка, отдельных молекул и даже атомов.

ЧАСТЬ I Открытие

ПЭМ вместе с такими аналитическими инструментами, как рент

геновский и электронный спектрометр, часто называют аналитиче ским электронным микроскопом. С его помощью можно анализиро вать рентгеновское излучение, которое возникает при столкновении электронов с атомами образца, а также потери энергии при прохож дении электронов сквозь образец. Так можно обнаружить разницу

между атомами углерода и азота, а также между атомами железа

иникеля, очень точно определяя состав материала.

Спомощью АЭМ определить не только размеры (вплоть до 0,1 нм), но и химический состав, тип молекулярных связей и элек трическую проводимость образца, то есть получить подробную ин

формацию о физических и химических свойствах материала образца

иего компонентов.

АЭМ широко используется для изучения новых материалов и структур: «умных» покрытий, топливных элементов, магнитных наноструктур, полупроводниковых квантовых точек и т. д. Для этих

приложений требуется точно знать положение атомов на поверхно

стях, границах и возможных дефектах структуры.

СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ (СЗМ)

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) используются для изучения поверхности материалов на атомарном уровне. Они имеют заостренную иглу — зонд, который отслеживает и записывает мель

чайшие изменения свойств поверхности изучаемого объекта. Зонд

сканирует поверхность образца, как марсоход, записывая текущую высоту, проводимость и другие свойства. СЗМ работает как старин

ный граммофон с металлической иголкой, которая повторяет бугорки и впадины звуковой дорожки граммофонной пластинки и тем самым

воспроизводит запись на пластинке.

Мельчайшие движения зонда вверх и вниз фиксируются лазер ным лучом, который отражается от зонда и передает все его вибра

ции оптическому детектору. Аналогично можно измерить разницу потенциалов и электрический ток между зондом и поверхностью

изучаемого объекта. Для перемещения зонда в режиме сканирования применяются пьезокристаллы.

Пьезокристаллы — это кристаллы, которые при сжатии создают разность потенциалов (электрическое напряжение) и, наоборот, под действием электрического напряжения изменяют форму: сжимаются и расширяются, скручиваются и сгиба-

72 ются.