Наноматериалы и нанотехнологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.С. Кирчанов

НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

УДК 620.22-022.532+620.3] (075.8) ББК 30.3

К43

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет);

д-р физ.-мат. наук, профессор А.П. Рыбаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Кирчанов, В.С.

К43 Наноматериалы и нанотехнологии : учеб. пособие / В.С. Кирчанов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2016. – 241 с.

ISBN 978-5-398-01617-8

Рассмотрены основные классы наноматериалов и нанотехнологий, применяемых при изготовлении устройств фотоники и оптоинформатики и освоении дисциплинарных компетенций.

Рекомендовано студентам, бакалаврам и магистрам специальности «Фотоника и оптоинформатика», а также тем, кто интересуются новыми материалами и технологиями, используемыми в наномире.

УДК 620.22-022.532+620.3] (075.8) ББК 30.3

2

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для обеспечения подготовки студентов (бакалавров по дисциплине «Наноматериалы и нанотехнологии») в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 200700.62 «Фотоника и оптоинформатика».

Цель изучения дисциплины «Наноматериалы и нанотехнологии» – получить сведения об основных классах наноматериалов и нанотехнологий, применяемых при изготовлении устройств фотоники и оптоинформатики, и освоить дисциплинарные компетенции.

В результате изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:

1.Знать: основные классы наноматериалов и их свойства; основные нанотехнологии получения современных наноматериалов, включая оптические наноматериалы, основные тенденции и направления развития современных оптических технологий (ПК-19).

2.Уметь: исследовать задачи и технологии волоконной оптики; пользоваться методами поисковых систем, методами исследовательской работы в области оптических наноматериалов и нанотехнологий (ПК-2).

3.Владеть: навыками работы с объектами волоконной оптики; навыками работы с технологиями получения оптических волокон

иприборов на их основе (ПК-32).

Наноматериалы и нанотехнологии являются новой междисциплинарной областью науки и техники, изучающей наномир. Частицы размером 1–100 нм придают сделанным из них материалам совершенно новые свойства и новое поведение. Эти наноматериалы и способы их получения – нанотехнологии имеют громадный потенциал для использования во всех практических областях. Нанотехнологии утверждают, следуя природе, новую парадигму всей производственной деятельности «снизу–вверх» от отдельных атомов к изделию, а не «сверху–вниз», как традиционные технологии, отсекающие лишний материал от массивной заготовки. Нанотехнологии создают но-

7

вую философию техносферы. Нанотехнологическая революция полностью изменит все жизненно важные сферы деятельности человека и общества.

Учебное пособие состоит из трех частей. В первой части представлены сведения о нанокластерах, наноструктурах, наноматериалах, их классификация, методы получения, структура, свойства. Во второй части рассмотрены технологии, различные нанотехнологии получения наноматериалов и основные методы измерения, исследования и формирования наноструктур. Третья часть посвящена применению наноматериалов и нанотехнологий при изготовлении элементов, устройств и машин в фотонике, оптоинформатике и волоконной оптике.

Автор заранее благодарит за указания возможных неточностей и дельные замечания, способствующие улучшению изложения.

8

Часть I НАНОМАТЕРИАЛЫ

1.НАНОКЛАСТЕРЫ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

1.1.Нанокластеры и их классификация

Вдиапазоне размеров 1–100 нм (1 нм = 10–9 м, 100 нм = 10–7 м) возникает новый мир, в котором меняются физические и химические свойства любых веществ и где сходятся предметы исследования физических, химических и биологических наук. Наномир – это часть пространства, в котором из атомов путем самоорганизации формиру-

ется вещество, живое или неживое. Будущее наномира связано не только с наноэлектроникой, нанохимией или нанобиологией. Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции (схождения) неорганического, органического и биологического мира и создание невиданных ранее веществ и существ.

Основной вклад в получение и исследование наноматериалов внесли химики. За 70–80 лет химики синтезировали несколько сот различных нанообъектов – частиц, материалов, структур. Это кентавры, коацерваты, тактоиды, фазоиды, аллофены, гигантские кластеры, фуллерены, фуллероиды, нанотрубки и т.п. Физики получили графен.

Что определяет многообразие структур в наномире? Квантовый характер наносостояния и особые статистические законы, доминирующие в наномире. Наносистемы далеки от равновесия из-за наличия развитой поверхности. Положение атомов вблизи поверхности отличны геометрически и физически от положений в объеме кристалла. Состав приповерхностного слоя не соответствует стехиометрическому составу химического соединения.

9

Наночастицами считаются образования, состоящие из атомов или молекул с размерами, меньшими 100 нм. Наночастицы (биологические, органические, металлорганические) являются некими индивидуальными образованиями, обладающими специфическим строением. В 1999 г. были открыты когерентные границы в наночастицах (кентаврах). Это означало, что «многофазные» наночастицы не имеют стандартных границ раздела. А.И. Русанов показал, что понятие фазового или агрегатного состояния неприменимо к наночастицам.

Между атомами вещества из таблицы Менделеева при расстояниях, меньших или равных 1 нм, возникают силы притяжения. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации с прочными связями (ковалентными, ионными или металлическими) и слабыми (вандерваальсовыми, водородными).

Атомные ассоциаты, содержащие небольшое количество атомов, называют молекулами или кластерами (объединениями). Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые свойства. Нанокластеры, находясь на молекулярном уровне строения вещества в диапазоне 1–100 нм, кардинально отличаются по свойствам от атомов и микрочастиц. Именно нанокластеры являются основными «элементами», из которых строятся различные нанообъекты, живущие в наномире. Образуются размерные цепочки нанообъектов из наномира в микромир и далее в макромир:

Изолированные одиночные нанокластеры → Наносистемы → Наноструктуры → Наноматериалы → Наноустройства → Нанотехнологии.

Нанокластер подобен молекуле. Он состоит из атомов на поверхности и атомов внутри кластера. В нанокластере размером несколько нанометров большая часть атомов находится на его поверхности, для больших нанокластеров – более 10 %.

Изучение нанокластеров и наноструктур, их свойств, способов получения, а также области применения в виде наноматериалов и технических наноустройств, является предметом физической химии.

10