Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ 5

1.1. Энергетическая проблема, стоящая перед человечеством 5

1.2. Атомная энергетика 8

1.3. Термоядерная проблема 12

1.4. Передача и хранение энергии 15

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ 18

2.1. Получение и транспортировка электронных пучков 18

2.2. Взаимодействие электронных пучков с твердым телом 23

2.3. Применение электронных пучков для технологических целей 27

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ 30

3.1. Взаимодействие ионного пучка с твердым телом 30

3.2 Основные направления использования ионных пучков для технологических целей 33

4. ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ 37

4.1. Источники лазерного излучения 37

4.2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом 39

4.3. Основные виды лазерной обработки 41

5. ПЛАЗМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 44

5.1. Физические характеристики плазмы 44

5.2. Принципы построения оборудования для плазменной технологии 46

5.3. Плазменная химия 47

5.4. Основные операции плазменной обработки материалов 49

6. СУБМИКРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 52

6.1. Задачи субмикронной и нанотехнологий в микроэлектронике 52

6.2. Получение монокристаллов кремния и подготовка подложек 54

6.3. Эпитаксия 56

7. ОСНОВЫ ЛИТОГРАФИИ 60

7.1. Литографический цикл 60

7.2. Экспонирование 63

7.3. Проявление изображения в резисте 64

7.4. Методы формирования рисунка в функциональных слоях интегральных схем 64

7.5. Литография высокого разрешения 66

8. ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИЮ 69

8.1. Возникновение и развитие нанотехнологии 69

8.2. Получение информации о микро- и наномире 71

8.3. Перспективы развития нанотехнологии 75

9. НАНОТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ, ФАРМАЦЕВТИКЕ И БИОТЕХНОЛОГИИ 80

9.1. Наночастицы – новая форма лекарств и средство их адресной доставки 80

9.2. Биосенсорная нанодиагностика 83

9.3. Наноинструменты и нанороботы в медицине 85

ВОПРОСЫ ПО ЕНОВТ ДЛЯ ЗАЧЕТА (ЭКЗАМЕНА) 89

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 91

Введение

Научно-техническая революция, начавшаяся во второй половине XX века и продолжающаяся в наши дни, привела к существенному прорыву во многих областях человеческой деятельности: в космических исследованиях, атомной энергетике, микро- и наноэлектронике, в биотехнологии, генной инженерии и т.д. Технологический уровень общественного производства вырос настолько, что появился термин «высокие технологии», в которых используются новейшие достижения в различных областях науки и техники. Область применения высокоэффективных технологий распространяется далеко за пределы передовых и важных областей, таких как вычислительная техника, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение. Высокие технологии все шире находят применение в пищевой и легкой промышленности, в торговле и рекламе, в быту. Современный специалист должен иметь достаточное представление об этих технологиях, знать их основные характеристики и быть способным применить высокие технологии в сфере своей непосредственной деятельности.

В учебно-методическом пособии в кратком виде изложены естественнонаучные основы современных технологий в области энергетики, плазменных и ионных технологий, обработки материалов с помощью электроннолучевой и лазерной техники; рассмотрены основные задачи, стоящие перед субмикронной технологией микроэлектроники и нанотехнологией. Представленный материал может быть использован при чтении лекций, проведении семинарских занятий и самостоятельной подготовке студентов к контрольным работам.

1. Высокие технологии в энергетике

1.1. Энергетическая проблема, стоящая перед человечеством

Среди многочисленных технологических задач, решаемых человечеством, самой главной, по всеобщему признанию, является энергетическая проблема. Известный ученый Ричард Смолли, лауреат Нобелевской премии по химии 1996 года, открывший молекулу фуллерена , назвал эту проблему «тераваттным вызовом». Суть этой проблемы состоит в том, что в ближайшем будущем население Земли достигнет десяти миллиардов человек и, чтобы обеспечить достойную жизнь и процветание этому огромному количеству людей, необходимо существенно повысить объем используемой энергии. Самые простые оценки показывают, что к середине XXI века уровень энергопотребления человечества возрастет не меньше, чем в два раза, и достигнет чудовищной величины в несколько десятков тераватт (напомним, что приставка тера- соответствует ). Чтобы человечество могло вести достойное существование и не погрязнуть в войнах за природные ресурсы, необходимо совершенствовать технологии использования энергетических источников, а также осуществлять поиск новых источников энергии.

Уровень развития общества, состояние экономики и благосостояние людей определяются количеством потребляемой энергии. Энергия используется для освещения и отопления жилья, движения транспорта, работы предприятий и т.п. Известно, что работа совершается за счет энергии. Еще в древности человек понял, что при выполнении работы не обязательно использовать только энергию собственного организма, гораздо удобней использовать посторонние источники энергии. Вначале для работы использовалась энергия домашнего скота, для обогрева жилища – энергия сгорающего дерева. Уже в Древние века человек начал использовать энергию воды, изготовив водяное колесо. Водяные и ветряные мельницы получили широкое распространение в Средневековой Европе. Развитие промышленности потребовало создать паровой двигатель, использующий энергию сгорающего топлива. С дальнейшим развитием техники были созданы карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания, получившие массовое распространение в наше время.

Для получения энергии в настоящее время используются в основном невозобновляемые (нефть, природный газ, уголь, ядерное топливо) и возобновляемые источники энергии (вода, ветер, Солнце). Энергетические потребности человечества постоянно растут, потребителей энергии становится все больше. Невозобновляемые источники энергии, накопленные в процессе эволюции Земли за сотни миллионов лет, при современных темпах потребления будут израсходованы в течение сотен, а то и десятков лет. Использование возобновляемых источников энергии связано с существенными экологическими и технологическими издержками. Особенно опасным является сжигание кислорода и накопление в атмосфере углекислого газа. Солнечная энергия обладает низкой плотностью и для ее использования большие пространства Земли необходимо покрыть солнечными батареями. Аналогичные проблемы возникают и при использовании энергии ветра. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением плодородных земель вблизи рек. По современным представлениям, решить энергетическую проблему возможно только используя ядерную энергию, применение которой в промышленном масштабе началось со средины прошлого века. Ядерные электростанции не загрязняют атмосферу выбросом отработанных газов, являясь в этом плане более экологичными, чем тепловые электростанции. Однако в случае использования ядерных энергоустановок возникает проблема утилизации радиоактивных отходов.

Таким образом, энергетический кризис, стоящий перед мировым сообществом, столь же острый, как и трудно разрешимый.

Основные направления повышения эффективности использования энергии.

Тепловые электростанции с утилизацией тепловых отходов. В таких установках тепло, оставшееся после получения электроэнергии, не выбрасывается в окружающую среду, а используется для отопления жилых и производственных помещений или для технологических целей.

Комбинированный способ получения электроэнергии в парогазовых установках. В таких установках турбина, связанная с генератором электроэнергии, приводится в движение потоком газов, образовавшихся при сгорании топлива. Горячие газы, покидающие турбину, используются для получения пара, который подается на паровую турбину, вращающую второй электрогенератор. Предполагаемый КПД парогазовой установки в ближайшие годы может достичь 75% (КПД обычной тепловой станции достигает в лучшем случае 40%).

Использование магнитогидродинамических генераторов. Принцип работы таких генераторов состоит в следующем. Образовавшиеся в результате сгорания топлива газы, состоящие при высоких температурах из заряженных частиц – электронов и ионов, направляются в межэлектродное пространство, в котором создается магнитное поле. Так как силы, действующие на положительные и отрицательные электрические заряды в магнитном поле, направлены противоположно, то происходит разделение в пространстве положительных и отрицательных зарядов плазмы и их движение к электродам, с помощью которых снимается электрический ток. После выхода из установки горячие газы используются для получения пара, направляемого на турбину, вращающую генератор электрической энергии.

Прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую. Традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях происходит по схеме: химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию газа или пара, который вращает турбину (механическая энергия), приводящую в движение генератор электрической энергии. Прямое преобразование химической энергии в электрическую происходит с более высоким КПД. При разработке топливных элементов, работающих по подобному принципу, учитывают также требования экологической чистоты. Предполагается, что в ближайшем будущем широкое внедрение получат топливные элементы на водороде. Они работают аналогично электрохимическим элементам, применяемым в быту: в топливном элементе водород окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. КПД такого топливного элемента достигает 85%, что существенно выше, чем у бензинового двигателя. Кроме того, в водородном топливном элементе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Однако для широкого внедрения водородных топливных элементов необходимо решить проблему их надежности, а также дешевого производства водорода. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки топливных элементов различных конструкций.