Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Инновационные технологии. Введение в нанотехнологии. Учебное пособие
.pdf
нового научно-технического направления – индустрии наносистем – и дает определение основных понятий нанотехнологии
на основе ранее опубликованных работ.
Базисом индустрии наносистем являются новые, ранее не
известные свойства и функциональные возможности материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых
особенностями процессов переноса и распределения зарядов,
энергии, массы и информации при наноструктурировании, то
есть при переходе к объектам, представляющим собой интеграцию искусственно или естественно упорядоченных наносистем.
Последнее утверждение непосредственно связано с достаточно частым обращением в литературе по нанотехнологии к
парадигме: «сверху-вниз или снизу-вверх». Формально речь
идет о двух возможных направлениях достижения конечного
результата в условиях создания объектов индустрии наносистем. Первое направление −это фактически физический редукционизм −
уменьшения исследуемого (создаваемого) объекта. Так развивается классическая нанотехнология интегральных микросхем,
которая в настоящее время преодолела 100-нанометровый рубеж. Однако, конструирование сложного многоэлементного
многоуровневого изделия (например, микросхемы) требует интеграции для придания целостности системе. Другое направление реализуется в рамках целостного, так называемого холического, подхода (от греческого целый, весь), когда исследуют
системные свойства искусственно синтезируемого или самоорганизующегося объекта, что типично для технологии наноматериалов. Последнее направление имеет много общего с первым, т. к. в рамках эволюционного развития первого направления технологически будут получены элементы с такими размерами, при которых их интеграция приведет к возникновению
функциональных свойств аналогичных кооперативным целостным системам на основе наноэлементов.
«от большого к малому» путем многократного
Наносистема − материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами,
кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта
новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных,
синергетически-кооперативных, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.
Наноматериалы − вещества и композиции веществ,
представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с
нанометрическими характеристическими размерами и особым
проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее
неизвестных механических, химических, электрофизических,
оптических, теплофизических и других свойств, определяемых
проявлением наномасштабных факторов.
Нанотехнология − совокупность методов и способов
синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения,
удаления и модифицирования материалов, включая систему
знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое,
метрологическое, информационное обеспечение процессов и
технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.
Нанодиагностика − совокупность специализированных
методов исследований, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.
Наносистемотехника − совокупность методов модели-
рования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием кванто-
во-размерных, кооперативно-синергетических, «гигантских»
эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.
Нанонаука – система знаний, основанная на описании,
объяснении и предсказании свойств материальных объектов с
нанометрическими характеристическими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядоченных или
самоупорядоченных на основе наноразмерных элементов.
Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и
функциональных возможностей систем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, техникоэкономически-ми параметрами и функциональными возможностями.
Можно выделить комплекс функциональных особенностей, отражающих основные понятия и направления развития
индустрии наносистем (таблица, дополнение в [1]).
Таблица. Характеристика индустрии наносистем
Направления развития Функциональные особенно-
сти
Наноматериалы
▪ «0»-мерные: квантовые точки
▪ «1»-мерные: квантовые нити, нанотруб-
ки, нановолокна, линейные полимеры
▪ «2»-мерные: квантовые ямы, сверхре-
шетки, пленки Лэнгмюра-Блоджетт,
биомембраны
▪ «3»-мерные: нанокомпозиты, фуллерены,
фуллероиды, астралены, 3D фотонные
кристаллы, мицеллы, биоорганические
полимеры
Нанотехнология
• Атомно-молекулярное наслаивание
• Атомно-молекулярная сборка, самосбор-
▪ легкость
▪ прочность
▪ стойкость
▪ эластичность
▪ биосовместимость
▪ селективность
▪ энергоемкость
▪ память
• наноточность
• нанолокализация
ка
• Атомно-молекулярное модифицирование
и удаление
▪ Атомно-молекулярная селекция
• Неравновесный синтез
Нанодиагностика
▪ Атомно-зондовая микроскопия
▪ Электронная микро- и спектроскопия
▪ Масс-спектрометрия
▪ Оптическая спектроскопия
• Нейтронография
▪ Дифрактометрия
• Эллипсометрия
▪ Электрофорез
▪ Хроматография
▪ Парамагнитный резонанс
Наносистемотехника
▪ Кооперативность
▪ Избирательность
▪ Полиморфизм
▪ Распределенность
▪ Интеграция синтеза и функционирования
• нанопозиционирование
• наноизбирательность
• нанокатализ
• самоформирование
▪ самоорганизация
▪ наноточность
▪ наночувствительность
▪ наноколичество
▪ наномасштабирование
▪ размерные эффекты
▪ синергетические эффекты
▪ «гигантские» эффекты
▪ ассоциативные эффекты
▪ неравновесные процессы
ГЛАВА 2.
НАНОЧАСТИЦЫ И НАНОКЛАСТЕРЫ
Наночастицы – это образования из связанных атомов или
молекул с размерами менее 100 нм. Атомные кластеры можно
условно классифицировать на основании их размеров и связи
между размерами частицы и количеством составляющих ее
атомов. Например, кластер радиусом 1 нм содержит 25 атомов.
Множество молекул, особенно биологические, состоит более
чем из 25 атомов. Между ними невозможно провести четкую
грань. Многие физические свойства вещества определяются
некоторой критической длиной. Если размер частицы меньше
какой-либо характерной длины, возможно появление новых
физических и химических свойств.
Наночастица – это агрегат атомов с размерами от 1 до
00 нм, рассматриваемый как часть объемного материала, но с
1
размерами меньше характерных длин некоторых явлений.
Кластер (англ. cluster) – сложное объединение несколь-
ких атомов или молекул.
2.1. Металлические нанокластеры и их свойства
Нанокластеры из металлических частиц можно получить
на установке лазерного испарения (метод рассмотрен в разделе
2.3.1).
Наиболее устойчивы кластеры с магическими числами
два и восемь. Электронные магические числа равны количеству электронов на заполненных s- и р-орбиталях. Их наличие
позволяет рассматривать кластеры как суператомы («модель
желе»). Альтернативная модель, используемая для расчета
свойств кластеров, рассматривает их как молекулы и применяет для вычислений теорию функционала плотности. Этот подход можно использовать для расчета реальной геометрической
и электронной структуры.
Обычно кристаллическая структура наночастиц такая же,
как и у объемного материала, но с несколько отличающимися
параметрами решетки. Для мелких кластеров все атомы, составляющие наночастицу, находятся на ее поверхности, что
влияет на многие их свойства.
Электронные свойства частиц, т. е. переход электронов
между энергетическими уровнями (с нижних заполненных на
верхние вакантные), определяют цвет материала. Таким образом, кластеры разных размеров могут отличаться по цвету, что
можно использовать при проектировании цвета материала.
Размеры наночастиц тесно связаны с их реакционной
способностью. Химическое взаимодействие мелких частиц с
газами можно изучать на установке лазерного испарения. Известны результаты, свидетельствующие о зависимости реакционной способности кластеров алюминия, железа, золота от количества атомов в них (рис. 3 [1]). Этот факт имеет большое
значение для
Рис. 3. Скорость реакции газообразного водорода с наночастицами железа в зависимости от размера частиц
проектирования катализаторов. Например, из наночастиц золота с размером менее 3-5 нм на подложке из оксида железа были созданы освежители воздуха (Национальный исследовательский институт, Осака, Япония).
Хорошо известны магнитные кластеры. Одно из наиболее интересных свойств наночастиц – наличие полного маг-
нитного момента у кластера, состоящего из немагнитных атомов. Например, кластеры рения демонстрируют отчетливое
увеличение магнитного момента, если в них меньше 20 атомов
[1].
Замечательное свойство наночастиц полупроводящих материалов (кремний, германий) – резко выраженное отличие их
оптических свойств от свойств объемного материала. Оптические спектры поглощения существенно сдвигаются в голубую
сторону (уменьшения длин волн) при уменьшении размеров
наночастиц.
2.2. Кластеры атомов редких газов
и молекулярные кластеры
Наночастицы могут состоять и из атомов благородных
газов, таких как криптон и ксенон. Силы, связывающие их
атомы в кластере, слабее, чем в металле или полупроводнике.
Одно из наиболее необычных свойств, демонстрируемых
кластерами – сверхтекучесть кластеров гелия, состоящих из 64
и 128 атомов, т. е. вязкость кластера Не
падает до нуля бла-
64
годаря быстрому движению частиц (рис. 4) [1].
Некоторые молекулы также могут образовывать кластеры. Одним из наиболее распространенных примеров является
кластеризованная вода. Молекулы воды в таком кластере
удерживаются водородными связями (наличие водородных
связей известно с 1970-х гг., строение доказано данными ИК и
рамановской спектроскопии). Специфические свойства водки
обусловлены наличием кластеров этилового спирта и воды.
Рис. 4. Зависимость удельной теплоемкости жидкого гелия и
жидкости, состоящей из кластеров Не64 (темные кружки), от
температуры. Пик соответствует переходу в сверхтекучее состояние
Известны и другие молекулярные кластеры, например
+
NH3)
(
, (CO2)44, (C4H8)30.
n
2.3. Методы производства наночастиц
Методы производства наночастиц можно разделить на
три основные группы, традиционно называемые сухим синте-
зом, мокрым синтезом и химическим размолом. При этом первые два метода относят к так называемому восходящему производству («снизу-вверх»), поскольку наночастицы в них создаются из атомных прекурсоров (веществ-предшественников),
а третий метод является очевидным примером нисходящего
(«сверху-вниз») производства, когда мелкие частицы производятся за счет дробления и измельчения более крупных. Мокрый синтез включает в себя преципитацию и методику зольгель, а сухой синтез − получение наночастиц множеством разных способов (горением, печным синтезом, плазмохимией и т.
д.).
Независимо от метода производства основная цель состоит в получении нанопорошков с узким гранулометрическим
распределением (т.е. с узкой функцией распределения по размерам), а также в предотвращении возможной агломерации
образующихся частиц. Ни один процесс не обеспечивает синтеза абсолютно одинаковых по размеру частиц, что заставляет
исследователей искать новые методы «исправления» гранулометрического распределения. Чаще всего так называемые хвосты распределений убирают при вспомогательных технологических операциях, что обычно приводит к снижению производительности. Гораздо более сложной является проблема агломерации (слипания) частиц, т.к. наночастицы всегда характеризуются очень высоким значением отношения поверхность/объем, и для них процесс слипания является термодинамически очень выгодным. По этой же причине из нанопорошков тугоплавких соединений можно «сплавлять» объемные изделия при температурах ниже точки плавления, что уже давно
применяется в промышленных производствах.
Требования к гранулометрическому распределению и агломерации порошков сильно зависят от целей их дальнейшего
использования. Эти требования должны очень строго выполняться при создании некоторых специальных нанообъектов
(например, флуоресцентных квантовых точек), но они не столь
важны при использовании порошков для химикомеханической планаризации полупроводниковых кристаллов.
Как и в любой другой отрасли производства, каждый метод
получения нанопорошков обладает своими достоинствами и
недостатками, а выбор обычно определяется конкретными задачами и условиями. Классическое измельчение является
очень энергоемким, не говоря уже о том, что оно непригодно
для получения порошков из цело го ряда очень перспективных
веществ, особенно из чистых металлов. В популярном и распространенном методе преципитации для предотвращения
слипания частиц обычно в суспензию наночастиц вводят так
называемые защитные лиганды или поверхностно-активные
вещества, что осложняет производственный процесс в целом,
т. к. при последующих технологических операциях эти добавки приходится химически удалять с поверхности частиц.
Проблемы агломерации для некоторых материалов исчезают при высокотемпературном синтезе частиц, когда разделение частиц и их закалка происходят одновременно. Однако такие процессы трудно осуществлять в промышленных масштабах, и они требуют больших затрат энергии. Кроме того, такой
метод непригоден для получения порошков из некоторых материалов (например, окиси кремния), т.к. они при высокой
температуре могут переходить в так называемое вязкое стеклообразное состояние. В некоторых случаях агломерация не
происходит вообще из-за физических особенностей самого
процесса производства, например, вследствие того, что образующиеся при дуговом распылении или в плазменной струе
наночастицы оказываются электрически заряженными [2].
2.3.1. Лазерное испарение
Установка для получения кластеров металлических атомов показана на рис. 5 [1]. Лазерный луч высокой интенсивности падает на металлический стержень, вызывая испарение
атомов с поверхности металла, которые затем уносятся потоком гелия через сопло. Расширение этого потока в вакуум приводит к его охлаждению и образованию кластеров атомов металла. Эти кластеры ионизируются УФ излучением и попадают
в масс-спектрометр, измеряющий отношение массы к заряду.
.3.2. Высокочастотный индукционный нагрев
2
Синтез осуществляется с помощью плазмы, создаваемой
радиочастотными нагревательными катушками (рис. 6) [1].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]