лекции нанотех Горбунов / Лекция 2
.pdf
Физико-химия наноструктурированных материалов.
Особенности физических взаимодействий на наномасштабах.
Виталий Алексеевич Горбунов
Содержание лекции
•Роль объема и поверхности в физических свойствах наноразмерных объектов.
•Механика нанообъектов. Механические колебания и резонансы в наноразмерных системах. Сила трения и кулоновское взаимодействие.
•Оптика нанообъектов. Соотношение длины волны света и размеров наночастиц. Различие распространения света в однородных и наноструктурированных средах.
•Магнетизм нанообъектов.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
2 |
Насколько малы нанообъекты?
12756 км
1 метр
= 109 =
1 нанометр
12,756 мм
•Нанотехнология – совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется в первую очередь наноструктурой.
•Наноматериал – продукт нанотехнологии, важнейшие функциональные свойства которого определяются наноуровнем его структуры (1-100 нм).
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
3 |
Насколько велики нанообъекты?
10-10 |
10-8 |
10-6 |
10-4 |
10-9 |
10-7 |
10-5 |
10-3 |
1 нм |
100 нм |
нано
•Линейный размер структурных единиц наноматериалов изменяется в пределах от 1 до 1000 атомарных (молекулярных) слоев.
•Объем – от 10 до 106 атомов (молекул).
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
4 |
Особенности физических взаимодействий
Глюоны (8)
Кварки
Мезоны
Барионы
Фотон
Атомы
Свет
Химия
Электроника
Бозоны
Бэта распад Нейтронный распад Взаимодествие нейтрино
Гравитон?
Солнечная система Черные дыры Галактики
•
•
•
S, W действуют на очень малых
расстояниях (10-15 м).
W + EM = Электро-слабое
взаимодействие (1000 ГэВ).
W + S + EM – Стандартная модель
(1015 ГэВ)
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
5 |
Особенности физических взаимодействий
• Электростатическое взаимодействие
F k |
q1 q2 |
|||
r2 |
||||
|
|
|||
k |
1 |
|
||
|
|
|
||
4πε0ε |
||||
|
||||
ε 8,854 10 12 Кл2
0 |
|
|
Н м2 |
|
|
|
|
|
FE q2E |
||
|
E k |
q1 |
|
|
r2 |
||
|
|
||
• Гравитационное взаимодействие
F G m1 m2 r2
|
11 |
м3 |
G 6,673 10 |
|
|
|
кг с2 |
|
|
|
FG mg
g G M 9,8 м
R2 с2
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
6 |
Роль объёма и поверхности
a
FG qE
q e 1,6 10 19Кл
E |
8 10 20 |
0,5 |
В |
||
1,6 |
10 19 |
м |
|||
|
|
||||
FG mg
a 10нм 10 8 м V a3 10 24 м3
m ρV 7874 кг 10 24 м3 7,874 10 21кг м3
FG 8 10 20Н
E 1,5 30 В 0,05 м
•В большинстве случаев гравитационное взаимодействие пренебрежимо мало по сравнению с электромагнитным!
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
7 |
Роль объёма и поверхности
Γ |
|
|
Гравитация |
|
ρg(4πr3 / 3) |
|
2πr2 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ς(2πr) |
3ς |
|||
Поверхностное натяжение |
|
|
|||||||||
ρ 103 |
кг |
; ς 78 10 3 |
Н |
|
|
|
|
|
|||
3 |
м |
|
|
|
|
||||||
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|||
r 1м |
|
Γ 8,5 |
104 |
|
|
|
|
||||
r 1мм |
|
Γ 8,5 |
10 2 |
|
|
|
|
||||
r 1нм |
|
Γ 8,5 |
10 14 |
|
|
|
|
||||
•Общее свойство тонких плёнок – гранулярная структура.
•Тонкие однородные пленки могут быть получены за счет взаимодействия материала плёнки с подложкой – эпитаксиальный рост.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
8 |
Эпитаксиальный рост плёнок
•Метод Принца – схема создания наноструктур из многослойных пленок путем химического травления «жертвенного» слоя (ИФП СО РАН).
Au/Ti
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
9 |
Формирование кольцевых и спиральных структур
1.V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, A.K.Gutakovsky, and et al, Physica E 6 (2000) 828.
2.V.Ya.Prinz, D.Grützmacher, A.Beyer, and et al, Nanotechnology 12 (2001) 399.
3.V. Ya. Prinz, A. V. Chehovskiy, V. V. Preobrazenskii, and et al, Nanotechnology 13 (2002) 231.
4.V.Ya.Prinz, Microelectronic Engineering 69 (2003) 466.
В.А. Горбунов, Омск 2011 |
10 |