Фотоника и оптоинформатика

для атома сужается и локализуется строго под зондом (рис. 9.24, в). В процессе диффузии по поверхности адсорбированный атом «проваливается» в эту яму и задерживается в ней.

Классический пример, иллюстрирующий возможности манипулирования атомами на поверхности твердого тела, приведен на рис. 9.25. Изображения представляет собой распределение плотности электронных состояний, соответствующих атомам исследуемых материалов и подложки.

Рис. 9.25. Изображения поверхности Si (111) (a); монослоя динонадекан-бензена (б); квантового коралла из 48 атомов Fe на подложке Сu (111), радиускоралла 7,13 нм (в), полученные всканирующемтуннельноммикроскопе

Рассмотренные подходы к манипулированию атомами на поверхности подложки составляют основу атомной инженерии. Они позволяют создавать наноразмерные структуры с заданным атомным составом. Реальные возможности, ограничения и практическая применимость для различных комбинаций атом-подложка сегодня являются предметом интенсивных научных исследований.

9.5. Применение нанотехнологий в технике

Нанотехнология обещает большие возможности при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстанов-

231

ление человеческих органов с использованием вновь созданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Всоответствии с существующей классификацией все известные в настоящее время достижения практической нанотехнологии подразделяются на три группы: инкрементные, эволюционные и радикальные. Рассмотрим их более подробно.

Инкрементная нанотехнология подразумевает промышлен-

ное применение существующих наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области получения композиционных конструкционных материалов с различными свойствами, защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других.

Вкачестве примера бытового применения нанотехнологий можно привести полироль, создающую «умную» поверхность

смногофункциональными свойствами. Она представляет собой уникальную комбинацию бразильского карнаубского воска, синтетических восков, силиконов и неабразивных наноалмазов, обеспечивающую эффективную защиту, восстановление цвета и блеска лакокрасочных покрытий. Наноразмерные алмазы позволяют получить совершенную сотовую структуру пленки полироли с повышенной прочностью, износостойкостью, адгезией

кповерхности, фотохимической и химической стойкостью, дополнительно обеспечивает эффект самоочищения поверхности при эксплуатации. Полироль эффективна при эксплуатации автомобиля в сложных погодных и климатических условиях, например в сырую и дождливую погоду, при езде по грязной дороге, а также в жаркую солнечную погоду – для защиты лакокрасочного покрытия от теплового и ультрафиолетового излучения.

232

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизма-

ми, работы над которыми находятся на начальном этапе.

Как отмечено выше, по идее К.Э. Дрекслера, выдвинувшего концепцию универсальных молекулярных роботов, методами самосборки могут быть воссозданы любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул, фуллеренов, нанотрубок и других аналогичных структур. Могут быть собраны структуры, имеющие форму разнообразных нанодеталей – зубчатых колес, штоков, деталей подшипников и других узлов, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д.

Изделия нанотехнологии, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, позволят получить их предельно высокие характеристики.

На рис. 9.26–9.28 приведены примеры механических конструкций от простейших до довольно сложных, рассчитанных методами молекулярной динамики и собранных из нанокомпонентов.

Рис. 9.26. Простейшие шестеренчатые передачи

Рис. 9.27. Сборочные единицы наноподшипника

233

нанотехнологий, по мнению ученых, планируется использовать в производстве миниатюрных роботов и микромеханизмов, детали которых практически не будут изнашиваться.

Радикальная нанотехнология – нанороботы (предполагае-

мые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишьв фантастических рассказах и кинофильмах).

Они могут быть способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы смогут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля – орбита» и т.д.

Вопросы для самоконтроля

1.Классифицируйте наноматериалы по геометрической форме и размерности структурных элементов.

2.Что такое гидрофильные и гидрофобные коллоидные кластеры? Какие типы мицелл могут образовываться в растворах

сучастием ПАВ?

3.Каковы различия между кристаллическими модификациями углерода – графитом, алмазом и фуллереном? Какие молекулы фуллерена называются фуллеритами?

4.Нанотрубки, их характеристики и области применения.

5.Какие технологии получения нанопленок вам известны?

6.В чем состоит технология получения нанопленок Ленгмюра– Блоджетт?

7.Приведите примеры природных нанокристаллов и практического применения искусственных нанокристаллов.

8.Приведите примеры эффективного применения наноповерхности. Почему они обладают феноменом самоочистки?

9.Что такое оптические метаматериалы? Каковы области их практического использования?

10.Какова суть отрицательной рефракции метаматериалов?

235

11.Метод молекулярно-лучевой эпитаксии пленок, его достоинства и недостатки.

12.Методынанолитографииполученияпленочныхструктур.

13.Метод сканирующей туннельной микроскопии формирования наноструктур.

14.Метод атомно-силовой микроскопии формирования наноструктур.

15.Приведите примеры применения эволюционной нанотехнологии в технике.

10. ЛАЗЕРЫ

Генерация света лазером основана на эффекте усиления вынужденного излучения в квантовой системе. Само английское слово Laser представляет собой аббревиатуру фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», которая дословно пе-

реводится как «Усиление света за счет вынужденного испускания излучения». Если излучение попадает в сверхвысокочастотный (микроволновый) диапазон, то усилитель такого типа называют мазерным. Соответствующий акроним (англ. maser) получен из предыдущего заменой слова Light на Microwave. Согласно смыслу акронима «лазер» его следует применять только по отношению к генераторам видимого излучения. Однако название «лазер» используется для обозначения устройства, испускающего любое вынужденное излучение. Чтобы уточнить тип излучения, говорят, соответственно, о лазерах инфракрасного, видимого, ультрафиолетового или рентгеновского диапазонов.

В полном виде концепцию лазера разработали Н.Г. Басов, А.М. Прохоров в России и Ч. Таунс, А. Шавлов в США. Первый лазер на кристалле рубина создал в 1960 году американский исследователь Т. Мейман.

Лазер (оптический квантовый генератор) представляет собой устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и др.) в энергию

236

когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. Любой лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов: источника энергии

(системы накачки), активной среды, которая поглощает эту энергию и переизлучает ее в виде когерентного излучения, и оптического резонатора – устройства, осуществляющего обратную связь. В простейшей форме оптический резонатор образован двумя зеркалами (резонатор Фабри-Перо), от которых отражается излучаемая волна, вновь возвращаясь в активную среду, вызывая индуцированные переходы. Одно из зеркал делается полупрозрачным для выхода части излучения (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Принципиальная схема лазера:

1 – активная среда; 2 – система накачки; 3 – оптический резонатор; 4 – генерируемоеизлучение

Обратимся теперь к вопросу о том, как и при каких условиях возможно усиление света за счет вынужденного излучения.

10.1. Спонтанное и вынужденное излучение, поглощение

Для описания явления спонтанного излучения (рис. 10.2, а) рассмотрим два энергетических состояния 1 и 2 некоторого атома или молекулы данного вещества с энергиями соответственно Е1 и Е2 (Е1 < Е2). С точки зрения последующего рассмотрения это может быть любая пара из неограниченного набора состояний,

237

характерных для данного атома. Удобно, однако, принять состояние 1 за основное. Предположим, что первоначально атом находится в состоянии 2. Поскольку Е2 > E1, то атом стремится перейти в состояние 1. В результате такого перехода атом должен выделить энергию, равную разности (Е2 – Е1), называемую энергией перехода. Когда эта энергия выделяется в виде электромагнитной волны, процесс называют спонтанным излучением. При этом частота ν0 излученной волны выражается известным соотношением

(рис. 10.2, а). Отметим, что излучение фотона является для атома только одним из двух возможных способов перейти из одного состояния в другое. Такой переход может произойти также и без излучения фотона. В этом случае энергия перехода (Е2 – Е1) выделяется в иной, отличной от электромагнитного излучения, форме (например, избыток энергии может перейти в кинетическую или внутреннюю энергию окружающих атомов или моле-

кул). Такой процесс называют безызлучательным переходом, или безызлучательной дезактивацией.

Рис. 10.2. Схематическая иллюстрация трех процессов: (а) спонтанного излучения, (б) вынужденного излучения, (в) поглощения

238

Предположим теперь, что атом первоначально находится

всостоянии 2 и при этом на среду падает электромагнитная

волна с частотой ν = ν0, равной частоте волны, которая испускалась бы при спонтанном переходе 2 → 1 (рис. 10.2, б). Поскольку частоты этих двух волн одинаковы, оказывается, что существует конечная вероятность того, что падающая волна вызовет переход атома из состояния 2 в состояние 1. В этом

случае энергия (Е2 – Е1) выделится в виде электромагнитного излучения, которое добавится к падающему. В этом и заключается явление вынужденного излучения, иногда называемого также индуцированным излучением.

Между процессами спонтанного и вынужденного излучения существует принципиальное различие. В случае спонтанного излучения различные атомы испускают электромагнитные волны, никак не связанные по фазе друг с другом. Более того, каждая из этих волн может быть испущена в любом направлении. В случае же вынужденного излучения, поскольку этот процесс вызывается падающей электромагнитной волной, волна, испущенная любым из атомов, добавляется к падающей, имея одинаковую с ней фазу и распространяясь в том же направлении.

Предположим теперь, что атом первоначально находится

всостоянии 1 (рис. 10.2, в). Если это состояние – основное, то атом будет оставаться в нем до тех пор, пока не появится какоелибо действующее на него внешнее возмущение. Пусть на среду

падает электромагнитная волна с частотой ν = ν0. В этом случае существует конечная вероятность того, что атом перейдет в верх-

нее состояние 2. Энергия (Е2 – Е1), которая потребуется атому, чтобы осуществить этот переход, будет при этом заимствована из энергии падающей электромагнитной волны. В этом заключается процесс поглощения.

Таким образом, в каждом акте вынужденного излучения происходит рождение, а в каждом акте поглощения – уничтожение одного фотона.

239

10.2. Принцип работы лазера

Рассмотрим два произвольных энергетических состояния 1 и 2 некоторого вещества и обозначим соответственно через N1 и N2 их населенности (числа атомов, молекул в единице объема). Если в данном веществе вдоль оси z распространяется плоская электромагнитная волна с плотностью потока фотонов F (рис. 10.3), то малое изменение плотности потока dF в тонком слое толщиной dz (заштрихованная область на рис. 10.3) будет обусловлено как процессами вынужденного излучения, так и поглощения. Пусть через S обозначена площадь поперечного сечения пучка. Разность между числами фотонов, покидающих выделенный объем и поступающих в него в единицу времени, будет при этом равна SdF. Поскольку в каждом акте вынужденного излучения рождается, а в каждом акте поглощения уничтожается один фотон, то величина SdF должна равняться разнице между числом актов вынужденного излучения и поглощения, произошедших в рассматриваемом объеме в единицу времени.

Рис. 10.3. Малое изменение плотности потока фотонов dF в плоской электромагнитной волне при прохождении через тонкий слой вещества толщиной dz

Изменение плотности потока

где σ – поперечное сечение перехода. Если реализуются нерав-

новесные условия, при которых N2 > N1, то среда ведет себя как

240