2.5. Лазерная техника и нанотехнологии
Лазерные техника и технология составляют один из определяюших методов обнаружения, создания и управления наноструктурами конструкционных материалов и элементов электроники. Достаточно вспомнить, что атомно-силовой и ближнепольный оптический микроскопы являются лазерными устройствами. Кроме того, лазерные приборы позволяют выполнять сверхпрецизионные определения перемещений на уровне длины волны лазерного излучения при сканировании очень больших полей исследуемых образцов как металлических, так и полупроводниковых и неметаллических материалов с минимальными затратами времени и ресурсов на подготовку образцов к исследованию наноструктурного состояния материалов.
Лазерная техника и технология позволяют решать целый ряд частных задач в области создания и управления наноструктур материалов оптотехники. К настоящему времени за рубежом создан ряд лазерных приборов и систем для наноисследований [1]:
анализатор определения размеров частиц методом лазерной дифракции Malvern в диапазоне 0,002 - 2000 мкм в жидких и сухих образцах, аэрозолях; анализатор размеров средней молекулярной массы частиц в суспензиях, эмульсиях и коллоидных системах с использованием метода динамического светорассеяния при диапазоне определяемых размеров 0,6 - 6000 нм;
платформа НаноФаб-100 для наноэлектроники, которая может быть укомплектована технологическим модулем импульсного лазерного напыления; фирма NT-MDT Co, [2], (Рис.30, 31) ;
лазерный анализатор размеров частиц в диапазоне от 10 нм до 3 мм модели Horiba LA 950;
лазерный анализатор размеров частиц в широком динамическом диапазоне от 1 нм до 6000 нм модели Horiba LB 550.
Рис. 30. Система НаноФаб 100, функционирующая в ЮФУ (Таганрог).
Рис. 31. Малый нанотехнологический комплекс НаноФаб 25, объединяющий технологические и аналитические модули.
Универсальная исследовательская платформа ИНТЕГРА позволяет производить различные исследовательские и технологические операции, решая проблему термодрейфа. Существует дрейф – неконтролируемое смещение, например зонда относительно образца вследствие объективного существования градиента температуры. Диапазон неконтролируемых смещений в лучших коммерческих зондовых микроскопах составляет 50 -300 нм, т.е. при нагреве или охлаждении образца на 10ºС дрейф может составлять до 3 мкм. (Рис.32, 33)
Рис 32. Интегра Спектра – прибор вошел в список 100 важнейших
разработок по нанотехнологиям.
Рис 33. Изображения кремниевых нанотрубок, полученных в рамках одного эксперимента в течении семи часов. Дрейф за это время составлял 35 нм.
По данным международных конференций РАН в области деформации и разрушения материалов и наноматериалов (DFMN) с целью совершенствования лазерной техники и нанотехнологий проводятся интенсивные отечественные фундаментальные и прикладные исследования. Проводятся исследования основ взаимодействия лазерного излучения с материалами и по разработке прикладных задач создания надежной и долговечной проходной оптики (окон вывода излучения, призм, линз и т.п.) для мощных широкоапертурных лазеров среднего ИК диапазона [2]. Для повышения механической прочности и оптической стойкости кристаллов к многократному воздействию лазерного излучения разработаны режимы деформационного упрочнения наиболее перспективных для ИК оптики кристаллов хлористого калия путем термомеханической обработки при температурах от комнатной до 700 К. Термомеханическая обработка приводит к повышению устойчивости термоупрочненного кристалла хлористого калия к многократным циклическим нагрузкам, по величине в 30 раз превышающих значение механических напряжений, приводящих к разрушению и к пластической деформации исходных монокристаллов [3].
Воздействие лазерного излучения на конструкционные материалы является едва ли не единственным промышленным методом, улучшающим механические и другие свойства, воздействуя на локальные нано- и микроразмерные дефектные области избирательно, не изменяя при этом свойства окружающего материала. К таким материалам, например, относятся элементы лазерной оптики или аморфно-нанокристаллические материалы [4]. В прозрачных материалах возможно непосредственное воздействие лазерного излучения на дефектные области и материал в их окрестности. Избирательная лазерная обработка дефектных областей в непрозрачных материалах реализуется за счет инициирования последовательности процессов, зависящих от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения, результатом которых является преимущественная обработка неоднородных областей. В основе селективного управления состоянием дефектных нанообластей в различных материалах находится возможность подбора параметров лазерной обработки. Использование метода селективной лазерной обработки обеспечивает оптимизацию комплекса эксплуатационных свойств материалов, характеризующихся различными механическими и оптическими свойствами, а также различным структурным состояниям [4]. Метод был использован при обработке материалов с различными физическими свойствами, а полученные экспериментальные результаты демонстрируют эффективность метода селективной лазерной обработки материалов, физические свойства которых определяются локальными дефектными областями нано- и микромасштабных размеров [5].
Причем для щелочногалоидных кристаллов, деформирующихся скольжением и не разлагающихся при нагреве, эффективность лазерной обработки выше, чем для кальцита. Для щелочногалоидных кристаллов воздействие лазерного излучения с низкой плотностью мощности позволяет осуществить частичное залечивание свежих дефектов и уменьшение механических напряжений за счет обратимого движения дислокаций, их аннигиляции (уничтожения) и соответствующего снижения общей плотности дислокаций в зоне обработки [6]. Принципиальный механизм лазерной обработки тонких образцов аморфно-нанокристаллического металлического сплава заключается в многократном повторении циклов обработки, заключающихся в сканирующем облучении микрообластей на поверхности образца, с повышением энергии импульсов, при котором удается повысить пластические характеристики сплава в два-три раза. Выделяются [4] основные причины повышения пластичности аморфно-нанокристаллических сплавов в условиях лазерной обработки: аннигиляция концентраторов напряжений и зародышей разрушения; испарение поверхностного дефектного слоя под действием лазерной плазмы; создание локальных неоднородностей, препятствующих прямолинейному распространению трещин.
Лазерное излучение оказывает ориентирующее действие на 3D-объемные нанокомпозиционные материалы с образованием нанотрубчатой текстуры [7]. Одной из причин значительного интереса к широкому применению углеродных нанотрубок при малой их концентрации (≈ 0,1%) является значительное улучшение механических свойств композиционных материалов на основе металлов, керамик, полимеров т.п. В работе [8] представлен способ получения и свойства объемных композиционных наноматериалов, созданных лазерным методом. Использовались однослойные и многослойные нанотрубки отечественного производства [9,10]. В результате исследований микротвердости на приборе ПМТ-3 и прочности при одноосном статическом растяжении нанокомпозиционных материалов установлено, что при плотности их 1,16 - 1,2 г/см³ механические свойства находятся на уровне алюминия.
Лазерно-интерферометрические приборы являются в настоящее время наиболее эффективными инструментами при измерении длин и перемещений объектов. По решению Международной палаты мер и весов для определения стандарта длины-метра в системе физических единиц рекомендованы выделенные линии излучения газовых лазеров [11]. Для перенесения этих точно известных микронных и субмикронных длин волн света в метровый масштаб длин и перемещений используется лазерно-интерферометрическая технология. Современные методы лазерной интерферометрии, позволяющие при перемещениях оперировать не только целыми, но и дробными долями волны света [12], являются наиболее подходящим инструментом для точного перенесения стандарта длины в нанометровую и субнанометровую область. Лазерно-интерферометрический метод применяется при создании пьезомашин в наноструктурной диагностике. При тестировании пьезоэлектрических преобразователей, изготовленных из материала ЦТС-19, была установлена зависимость величины гистерезиса относительного удлинения от величины прикладываемого электрического напряжения [13]. Лазерно-интерферометрические методы могут быть использованы для диагностики структурно-физических параметров наноразмерных материалов и покрытий. Возможно измерение коэффициентов упругости, теплового (термического) расширения, электро- и магнитострикции, изучение нелинейных свойств пьезомашин, используемых в нанотехнологиях. Благодаря применению широкополосной системы регистрации эти методы могут быть использованы для изучения нелинейных деформаций и других физических явлений, представляющих процессы разрушения материалов и наноматериалов.
Лазерный оптико-акустический метод рекомендуется для неразрушающего контроля механических свойств конструкционных материалов, например модулей упругости, которые в процессе эксплуатации деталей или изделий могут существенно уменьшатся по величине до 15 - 20% вследствие возрастающей пористости материала [14]. Метод основан на лазерном термооптическом механизме возбуждения ультразвука и изменении фазовых скоростей продольных и сдвиговых акустических волн в материалах в спектральном диапазоне 0,5 - 50 МГц. Основное преимущество метода перед традиционными ультразвуковыми заключается в возможности эффективного возбуждения коротких и мощных зондирующих импульсов, необходимых для диагностики сильно поглощающих ультразвук неоднородных композиционных материалов. В предложенном методе толщина образцов составляла 0,1 - 70 мм, локальность изменений в поперечном направлении – 1 – 2 мм, максимальная относительная погрешность определения модуля Юнга составляла 6%, модуля сдвига - 4%, коэффициента Пуассона - 5%. В работе [15] реализован оптико-акустический метод определения локальной пористости изотропных композиционных материалов, которая приводит к существенному уменьшению прочности материала под действием динамических нагрузок, что проявляется в увеличении объемного содержания воздушных пор материала.
Для упрочнения конструкционных материалов и создания элементов электроники применяется лазерное воздействие с целью получения фрактальных наноструктур- фрактальных кластеров.
Если для конструкционного материаловедения в силу специфики применения определяющего значение имеет создание структур типа 3D - нанокристаллических трехмерных материалов и реже создание 2D нанокристаллических двумерных типа поверхностных слоев, то для электроники определяющее значение имеют 0D нанострукторы- кластеры или структуры типа 1D - одномерные нанотрубки, нановолокна, а также наноструктуры типа 2D [16]. В макро– и микротехнологии исследователи работали в подавляющем большинстве случаев со средними и среднестатистическими величинами, то в нанотехнологии произошел качественный переход от интегральных величин к индивидуальным, характеризующим конкретный, отдельно взятый нанообъект. Если к совокупности нанообъектов (наночастиц, ультрадисперсных частиц) вполне закономерно подходить со средними характеристиками, то для отдельно взятой наночастицы такой подход неприемлем. Переход к нанотехнологии потребовал искать новые геометрические и физические подходы. Для описания реальных объектов введено понятие фрактала. Название фрактал происходит от латинского понятия, означающего дробный, ломаный, нерегулярный, фрагментарный, создающий фрагменты неправильной формы. Понятие фрактал определяется как структура, состоящая из частей, которые в каком-либо смысле подобны целой структуре. Определение это оказалось чрезвычайно широким, поскольку под него попадают практически все объекты реального мира (Рис. 34.).
Математические фракталы
Салфетка
Серпинского Дракон Пеано Губка Менгера
Реальные фракталы, природные и техногенные
Структура пленки CdHgTe, Поверхность
скан 1,8х1,8 мкм астероида
Срез сферолита Срез дерева
пропилена, 70х70 мкм
Коллаген на Та подложке, Пустыня
скан 50х50 нм
Рис. 34. Примеры математических и реальных фракталов
В настоящее время под фракталом понимается самоподобная структура, чье изображение не зависит от масштаба. Основной термин фрактал подразумевает неупорядоченность и относится к структурам ярко выраженной иррегулярности. Фрактальная структура обладает иерархичностью и масштабной инвариантностью, а одним из важнейших свойств фрактала является свойства самоподобия, т.е. вид фрактальной структуры не меняется в любом пространственном масштабе. В реальности любой фрактал имеет некоторый минимальный и максимальный линейный масштаб, при выходе за пределы которых самоподобие пропадает или нарушается. Введено понятие [16] размерности фрактальных объектов - D, для которых справедливо соотношение M~RD .Где M - масса сферического объекта радиусом - R, а D - фрактальная размерность, не совпадающая с пространственной эвклидовой размерностью. В соответствии с указанными представлениями типы нанокристаллических материалов подразделяются на 0D - нульмерные, 1D - одномерные, 2D - двумерные и 3D - трехмерные [17-19].
С геометрической точки зрения фрактальная размерность является показателем того, насколько плотно объект заполняет плоскость или пространство.
Необходимым, но не достаточным свойствам фракталов является их иерархичность - способность повторяться в разных масштабах пространства и времени: - объект нельзя считать фрактальным, если он не обладает свойством самоподобия, но можно - если он не иерархичен.
Для описания фрактальных структур, встречающихся на микро- и наномасштабных уровнях, используется понятие кластер. Под кластером (0D) понимается скопление близко расположенных, связанных друг с другом частиц любой природы (атомов, молекул, ионов, наночастиц) общим количеством от 2 до 2000 частиц. Понятие фрактальный кластер означает структуру, образующуюся в результате объединения частиц при условии диффузионного характера их движения. Основной чертой фрактального кластера является факт уменьшения средней плотности частиц в нем по мере удаления от образующего центра. Типичным примером фрактального кластера является снежинка (Рис. 35.).
Рис. 35. Типичный фрактальный кластер
Фрактальные структуры получаются изменением дислокационной структуры в металлах при возрастающих степенях деформации, приводящих к созданию ячеистой субзеренной структуры. При высоких степенях деформации образуются скопления в виде стенок ячеек и клубков. Скопления дислокаций, формирующие стенки ячеек, являются фракталами, размерность которых увеличивается от D = 1 до D = 2.
Ведущее положение и приоритет в использовании концепции фракталов в исследовании металлических материалов принадлежат школе академика И.А. Одинга – профессору В.С. Ивановой (ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН) [20-21].
Используя теорию фракталов и принципы синергетики, возможно, дать расширенное определение нанотехнологии конструкционных материалов.
Нанотехнология конструкционных материалов представляет собой создание и управление естественно- и искусственно- гетерофазными открытыми системами в неравновесных термодинамических условиях с помощью принципов синергетики и теории фракталов в целях увеличения параметров прочности, пластичности, удельной прочности, жесткости и структурной стабильности материала, а следовательно, увеличения надёжности и улучшения качества работы приборов и конструкций.
Синергетика – это методология управления самоорганизацией диссипативных структур.
Самоорганизующимися называют процессы, при которых возникают сложные и более совершенные структуры. Самоорганизующиеся структуры обладают свойствами фрактальности, т.е. – могут быть описаны количественно с помощью фрактальной размерности. Если эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии, то происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными.
Принципы синергетики:
Минимума производства энтропии
Текущего и локального равновесия
Мозаичной неравновесной термодинамики
Наименьшего принуждения
Подчинения
Неравновесности как источника упорядоченности
Самоорганизации диссипативных структур
В стационарном состоянии производство энтропии в системе достигает минимального значения.
С позиций синергетики и теории фрактальных структур новые высокопрочные материалы могут быть получены управлением эволюцией дислокационных структур при деформации.
Неравновесные процессы имеют фазовые переходы, отвечающие особым точкам – называемым точками бифуркаций.
Теория фракталов – база для количественного описания диссипативных структур.
Концепция фракталов, как самоподобных объектов с дробной (нецелой) размерностью, развивается математиком Б. Мандельбротом с 1947 года.
Одним из методов получения фрактальных структур в микро- и нанотехнологии является лазерное облучение. Фрактальные кластеры получаются при лазерном облучении металлических поверхностей. Начало этому процессу дает образование плотной плазмы вблизи поверхности, которая разлетается в окружающее пространство, а при охлаждении превращается во фрактальные нити. Фрактальные нити анизотропны, имеют диаметр до 30 - 40 мкм, а длину - до нескольких сантиметров, причем одновременно образуется несколько десятков фрактальных нитей. Для образования фрактальных нитей должны быть выполнены два требования: испаренное вещество должно быть в состоянии атомов и плазмы (а не капель) и должно быть приложено внешнее электрическое поле. Фрактальные нити могут образовываться из разного материала поверхности и в разных буферных газах.
Образование такого состояния вещества имеет универсальный характер и может возникать при разных физических явлениях в случае воздействия потоков энергии на твердые поверхности. При слабом взаимодействии между нитями, фрактальная нить не связана с соседними, а только сталкивается с ними, распадаясь на отдельные фрагменты. В предельном случае совокупность нитей образует фрактальный клубок, являющийся своеобразным состоянием вещества. Это состояние по своему удельному весу соответствует газам, а по поведению – жидкостям и твердым телам. Фрактальный клубок в силу жесткости конструкции обладает поверхностным натяжением, но вследствие малой плотности поверхностное натяжение относительно невелико. Фрактальная нить состоит из нанометровых частиц и обладает развитой внутренней поверхностью.
При помощи лазерного излучения возможно образование фрактальных структур для микроэлектроники на основе оксидов и нитридов титана [22]. Лазерное осаждение оксидов титана приводит к образованию фрактальных нитей, многослойных фрактальных структур, а при увеличении времени осаждения и образования микротрубок [22]. При лазерном воздействии на углеродные материалы возможно получение 1D-нановолокон и нанотрубок диаметром от 10 до 100 нм, однослойных и многослойных, бездефектных и дефектных нанотрубок [23]. Возможно воздействие на углеродные материалы атмосферного воздуха или кислорода с изменением свойств получаемых структур. Воздействие электрического поля приводит к радикальному изменению макрокартины – все пространство между мишенью и диафрагмой заполняется тончайшей сетчатой углеродной структурой – паутиной. При лазерном воздействии в воздушной среде принципиально возможно формирование наноструктурированных аморфных и алмазоподобных углеродных пленок типа 2D. При лазерном воздействии в воздушной среде на образцы, помещенные в постоянное электрическое или неоднородное магнитное поле, формируют волокна и кластеры – 0D. [23]. Магнитное поле формирует кластеры ( Рис. 36, 37).
Рис. 36. Формирование углеродных структур при лазерном воздействии в воздушной среде: а) в присутствии постоянного электрического поля; б) в присутствии неоднородного магнитного поля.
Рис. 37. Структурная самоорганизация в магнитной жидкости, а - ячеистая структура, б - лабиринтная. Маркер 5 мм. Оптическая микроскопия.
Методом лазерно-плазменного осаждения из керамических мишеней получены высокопроводящие наноразмерные 2D пленки ZnO при различных условиях легирования галлием и азотом и различных методах введения их в пленки в процессе напыления с целью разработки новых оптоэлектронных устройств, не использующих p-n гомопереход [24].
Созданы многослойные тончайшие пленки на кремниевой подложке для структур спинтроники методом лазерно-плазменного напыления на пересекающихся пучках в условиях высокого вакуума с последующим контролем качества поверхности нанометровых пленок с помощью атомно-силового микроскопа [25] при шероховатости поверхности 0,2 нм.
Разработана методика получения управляемых наноструктур в поле лазерного излучения на поверхности углеродных образцов пирографита, специального чистого графита и стеклоуглерода [26]. Обнаружено образование нескольких типов наноструктур: формирование наноструктур со средней высотой 40 нм и основанием 300 мкм; замкнутых форм эллиптического вида диаметром 3-5 мкм и высотой стенок 35 нм; образование кольцевых структур. Лазерное воздействие на углеродсодержащие материалы поддается управлению с изменением свойств и размеров наноструктур [26].
Лазерная обработка поверхностей различных конструкционных материалов является методом реализации процессов самоорганизации в различных системах (Рис. 38, 39.).
Явление самоорганизации иерархического ряда диссипативных нанофаз со свойствами «нанореактора» при интенсивных пластических деформациях твердотельных гетероструктур на этапах производства и эксплуатации изделий различного назначения, совершило прорыв в технологии и заложило основы наноиндустрии приборостроения, машиностроения, строительных, добывающих и перерабатывающих отраслей. Сейчас нанотехнология самоорганизации становится междисциплинарной и может рассматриваться как обобщенное понятие, конкретизируемое в решении актуальных задач конструкционного материаловедения, электроники, оптотехники, аэрокосмической техники и т.д.
При облучении сплавов на основе железа ионами аргона с высокой энергией возможно образование упорядоченной структуры, состоящей из систем полос, напоминающих цепи из пересекающихся звеньев с характерными размерами порядка 3 мкм. Однако, при анализе поверхности с увеличениями 50000 наблюдается пространственно организованная структура с характерными размерами 50 - 100 нм. Подобное превращение однородной системы в неоднородную, гетерогенную часто наблюдаются и в других пространственно организованных структурах. При этом в облученном материале наблюдается иерархия самоорганизованных структур и их упорядочение на различных масштабных уровнях, т.е. такие системы можно отнести к фрактальным.
Лазерная обработка используется для модифицирования свойств металлических поверхностей и создания пространственно-организованных структур, которые формируются, начиная с некоторого количества импульсов. Внешний вид пространственно-организованных структур иерархически очень похож на многочисленные поверхностные периодические структуры, представленные нашими университетскими ведущими профессорами в области взаимодействия лазерного излучения с веществом в работе [27]. Лазерное излучение одного лазера в состоянии подействовать только на электроны твердого тела, которые вносят изменение в состояние ионов и атомных остовов. Управляющим параметром, при достижении порогового значения которого система переходит в неравновесное состояние при лазерном облучении, является определенное количество импульсов, после достижения которого, система переходит к когерентному поведению. По-видимому, образование самоорганизованных периодических структур связано с локальным лазерным нагревом и стимулированием диффузии атомов в поле упругих напряжений в поверхностном слое, что реализует условия самоорганизации нанометровых островков с размерами существенно меньшими, чем пространственный период стоячей волны излучения [28] (Рис. 40.).
Рис. 40. Самоорганизация наноостровков на кремниевой подложке. Скан 1,7 мкм.
Характерно, что приложение сосредоточенной механической нагрузки в виде алмазного индентирования, приводит к переструктуризации материала. При индентировании наблюдается интенсивная миграция дефектов атомно-кристаллического строения из зоны внедрения пирамиды, возникающая за счет воздействия инициируемых нагрузкой механических напряжений. После снятия нагрузки структурные дефекты возвращаются в зону воздействия индентора. Это также свидетельствует об инициировании процессов самоорганизации.
Развивающееся в настоящее время фрактальное материаловедение основывается на управлении свойствами материалов на основе управления фрактальной структурой, возникающей в условиях нелинейной динамики. Переход от стадии термодинамической самоорганизации к динамической является неравновесным фазовым переходом, в процессе которого происходит самоорганизация диссипативных структур, обусловленная стремлением системы к минимуму производства энтропии.
Практически все технологические процессы получения материалов для целей электроники представляют собой переход от хаотической структуры к упорядоченному когерентному состоянию, что можно трактовать как процесс самоорганизации.
Все физические свойства тела определяются свойствами объемного образца, но как было показано выше, свойства поверхности твердого тела существенно отличаются от свойств объемного образца. При диаметре порядка 1 - 1,5 нм практически вся частица представляет собой поверхность, и свойства ее являются уникальными. При диспергировании резко возрастает активность вещества в твердом состоянии и скорость физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Скорость такого взаимодействия всегда пропорциональна величине поверхности. Чем тоньше структура вещества, тем быстрее оно растворяется, и тем быстрее происходят твердотельные реакции [29].
Применение методов лазерно-плазменного управления процессами формирования тонких пленок и объемных наноструктурированых материалов перспективного для создания принципиально новых материалов с помощью варьирования параметров лазерного излучения (длины волны, формы пучка, длительности импульса, времени воздействия и.т.д.), которые существенно влияют на свойства синтезируемых наноструктур [30]. Особый интерес вызывает получение наноструктурированной пленки углеродных нанотрубок с расположенными на их поверхности наночастицами оксида титана, являющимся уникальным катализатором. Углеродные нано трубки представляют конгломерат перепутанных волокон со средним радиусом волокна ~ 70 нм. Возможно получение многослойных нанотрубок, отличающихся высокими электропроводимостью и механическими свойствами, позволяющие их использовать в качестве демпфирующего покрытия. Причем, формируются кластерные образования, в которых между частицами нанопорошков прорастали нити нанотрубок [30]. В системе углерод-металл возможно образование фрактальных структур при самоорганизации углерода на металле в процессе лазерного воздействия, причем одновременно с этим возможно образование фрактальных кластеров. Способ позволяет воздействовать на углеродные нанотрубки и изменять их морфологические и физико-химические свойства при температурах значительной меньше температуры плавления материала [30]. Лазерное напыление управляет образованием сложных наноструктурированных покрытий на подложке при использовании мишени из смеси нанопорошков металлов и углеродных нанотрубок.
Микропроплавление в процессе лазерного воздействия миллисекундной длительности приводит к образованию упорядоченных групп наноструктур и осаждению наночастиц металлов на поверхность образца, погруженного в эмульсию [31].
Методом лазерного осаждения наночастиц металла из раствора возможно получение структур на поверхности оксидных стекол и других диэлектриков для создания интегральных схем, контактных соединений. Лазерно осажденные на металлические поверхности наноразмерные структуры имеют сверхвысокую прочность и ударную вязкость [32].
С помощью лазерных мониторов (проекционных микроскопов) возможно восстановление трехмерного рельефа поверхности по ее двумерным изображениям [33].
С помощью лазерного излучения возможно получение наноразмерных частиц (Рис. 41, 42.).
Рис. 41. Микрофотография типичного дендрита.
Рис. 42. Узоры из наночастиц на поверхности микроструктуры.
С использованием коллоидных наночастиц металлов в качестве катализаторов осуществляется получение полупроводниковых нанопроволок лазерным распылением твердой мишени из фосфида галлия и золота (в качестве катализатора). Раствор с частицами золота наносится на мишень, которую помещают в кварцевую трубку с твердой мишенью из фосфида галлия. Мишень распыляют с помощью эксимерного лазера. Лазерное распыление твердой мишени используется для одновременной генерации наноразмерных каталитических кластеров металла и реагирующих атомов полупроводника, которые и образуют полупроводниковую нанопроволоку. Размер катализирующей наночастицы определяет размер получаемой проволоки, причем в отсутствие частиц золота полупроводниковые проволоки не образуются [34].
Лазерные установки применяются для качественного и количественного анализов в нанометрологии, о чем уже упоминалось выше. Все известные методы исследования характеристик нанообъектов классифицируется на две группы: интегральные и индивидуальные. Лазерные методы, наряду с многими другими относятся, в основном, к интегральным, которые имеют дело не с индивидуальной частицей, а с их ансамблем или комплексом и получение информации осуществляется путем анализа получаемых интегральных характеристик [35].
В соответствии с работой [29] лазерная закалка сплавов из жидкого состояния использует принципы самоорганизации и является принципиально новой, при которой на поверхности детали возникает аморфная структура. Некоторые технологические возможности лазерных установок нашего университета применительно к металлическим материалам рассмотрены в работах [36, 38].
В настоящее время интенсивно разрабатывается лазерные методы диагностики и контроля за газовыми и аэрозольными выбросами предприятий нанотехнологического комплекса. Наночастицы накапливаются в воздухе, почве и сточных водах, что необходимо оценивать для установления экспозиционных нагрузок на обслуживающий персонал нанотехнологических производств и населения, т.к. наночастицы попадают в органы дыхания [39]. В газовой фазе наночастицы находятся в виде кластеров и более сложных ансамблей. В работе [39] предлагается метод диагностики в естественных условиях, который фиксирует активность наночастиц в большинстве помещений, расположенных на первых, полуподвальных и подвальных этажах зданий. Основной вклад в состояние атмосферного воздуха жилых и производственных помещений вносит поток наночастиц с поверхности грунта.
Авторы несомненно признают, что в настоящей работе далеко не исчерпаны возможности связи лазерной техники и лазерной технологии с нанотехнологиями, однако на основании изложенного с уверенностью можно утверждать, что уже в настоящее время лазерная техника и технология позволяют: синтезировать все известные по фрактальным размерностям Б. Мандельброта типы нанокристаллических материалов от 0D до 3D; обнаруживать и измерять наночастицы; управлять синтезом образующихся известных наноструктур, применяемых в конструкционном материаловедении и электронике, а также диагностировать и контролировать газовые и аэрозольные выбросы предприятий нанотехнологического комплекса.