Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 3

Процесс фотографии также основан на нанотехнологиях, поскольку его суть – это образование наночастиц серебра под действием солнечного света.Дальнейшее развитие научных исследований в сфере нанотехнологий относится уже к ХХ веку.В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создалиэлектронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В эти же годы в Ленинградском физико-техническом институте(ЛФТИ) под руководством академика А.Ф. Иоффе проводятся исследования в области полупроводников, заложившие основы современной электроники. Сотрудник ЛФТИ Г.А.

Гамов 70 лет тому назад теоретическиобосновал так называемый эффект туннелирования, который сегодня широко используется в нанотехнологиях. Г.А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера.

Новое явление, названное туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы, понятьбольшой круг явлений. Открытие Г.А. Гамова помогло понять свойства иповедение полупроводников и сверхпроводников. Лишь 30 лет спустя появились туннельные диоды японца Есаки.Классическая физика утверждает: «в электрической цепи, разорванной барьером из изолятора, ток течь не будет».

Квантовая же механика допускает, что если барьер достаточно тонок, то электроны могут «туннелировать» (просачиваться) сквозь него. Чем тоньше барьер, тем выше вероятность туннелирования электрона.В 1982 году два физика Герд Бинниг и Генрих Рорер в Исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швейцария) сконструировали прибор совершенно нового типа, с помощью которого можно было рассматривать отдельные атомы на поверхности.

Создателям этого прибора –сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) – в 1986 году была присуждена Нобелевская премия. В основу изобретения ученых лег туннельныйэффект.Исследователи всего мира, занимающиеся физикой поверхности,убедились, что туннельный микроскоп позволяет разглядывать поверхность с точностью до атома. Однако у СТМ есть один недостаток: с его11помощью можно изучать только материалы, хорошо проводящие электрический ток.

Такое ограничение вытекает из самого принципа работыСТМ – для эффективного туннелирования электронов через зазор междуповерхностью исследуемого образца и чувствительным элементом прибора (иглой) на поверхности должно быть много, как говорят физики, электронных состояний. Поэтому когда исследователи принялись изучать спомощью СТМ непроводящие вещества, они были вынуждены покрыватьтакие вещества металлической пленкой либо «пришивать» их к поверхности проводника, например золота.Но вот в конце 1986 года тот же Бинниг предложил конструкциюприбора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с точностью до атома, но уже вовсе не обязательно электропроводящие.

Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом, и сегодняименно он представляет наибольший интерес для исследователей.В 1985 году американские ученые Р. Смейли и В. Курл совместно санглийским исследователемТ. Крото открыли новуюформулу углерода – фуллерен, за что в 1996 году удостоены Нобелевской премии.Фуллерен – одна из форм углерода, наряду с другими:алмазом, карбидом, графитом. Это полая частица,внешне похожая на футбольный мяч, состоящая из20 шестиугольных и 12 пятиугольных фигур (как быобтягивающих мяч), что иллюстрирует рис. 1.1. СвоимРис.

1.1. Фуллеренназванием он обязан инженеру Р. Фуллеру, создающему свои конструкции по этому же принципу (20шестиугольных и 12 пятиугольных граней). Классическая (или бакмистер)молекула фуллерена состоит из 60 атомов углерода (С 60), расположенныхв вершинах правильных 6- и 5-угольников. Но могут формироваться и другие структуры с количеством 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. атомов.12Фуллерены относятся к основным видам наноматериала (структурыразмером менее 100 нм), наряду с нанопорошками, нанокомпозитами, нанопленками, нанопотрубками и др.Таким образом, становление и новые открытия в наноиндустрии потребовали возникновения нового направления в метрологии – нанометрологии.Одна из особенностей сферы нанотехнологий – действие в ней физических законов, отличных от законов макромира. Это неизбежно сказывается на методах и средствах познания.

Требуются совершенно новые приборы, а порой и принципы измерений. Необходимы унификация и четкаяклассификация метрологического оборудования, в частности зондовых исканирующих микроскопов. Не исключаю даже появления новых видовфизических величин для измерений в нанодиапазоне.Нанометрология – это метрология в нанодиапазоне. Метрология, содной стороны, – это наука об измерениях, методах и средствах достижения их повсеместного единства и требуемых точностей.

С другой стороны, – это институт обеспечения единства измерений в стране, включающий стандартизацию единиц физических величин, их воспроизведение снаивысшей точностью с помощью государственных эталонов и передачуразмеров единиц физических величин иерархическим образом сверху внизвсем средствам измерений (приборам), допущенным к применению на территории страны. Именно уровень точности и достоверности измеренийспособен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей, либослужить сдерживающим фактором.Отличие нанометрологии от обычной метрологии обусловлено тем,что переход в область нанометровых масштабов сопровождается не толькоколичественными, но и качественными изменениями свойств вещества.Развитие нанометрологии требует пересмотра физического смысла определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными физическими константами (ФФК), и флуктуационными явлениями, характерными для нанообъектов.

В нанометрологии также существует проблема выбора методов и средств измерений, атакже выбора параметров нанообъектов, необходимых для создания ихэталонов.Приведем основные новые явления и эффекты, которые возникают ииспользуются при проведении исследований в нанодиапазоне [5]:13• атомная диффузия сквозь пограничные поверхности порождает эффективный механизм переноса вещества при относительно более низкихтемпературах по сравнению с обычным процессом.

Это явление можетбыть использовано, например, для значительного увеличения чувствительности газового датчика, кинетики диффузии водорода в его хранилищахили для снижения рабочей температуры в топливных элементах с твердымоксидом;• если размер кристалла меньше средней длины свободного пробегаэлектрона, то по причине рассеяния на границе зерна (гранулы) будутуменьшаться электронная проводимость и температурный коэффициент;• благодаря поверхностным эффектам и малому размеру частиц видоизменяется фотонный спектр, т.е.

возникает так называемый эффект локализации;• изменения ширины запрещенной зоны в уменьшенных до наноразмеров частицах полупроводника приводят к голубому смещению (сдвигу)люминесценции;• связанная с изменением размеров частиц релаксация люминесценциив наночастицах оксида приводит к изменениям оптических свойств и поэтому представляет интерес для оптико-электронного приборостроения;• сокращение размеров квантовых точек до размера окрестности точки, в которой присутствуют всего несколько электронов, становится технологической основой спинтроники;• поверхностные эффекты в магнитных материалах регулируют магнитные свойства тонких слоев, что позволяет создавать более совершенные устройства магнитной регистрации данных и более чувствительныемагнитные датчики (пример – сверхбольшое магнитное сопротивление);• в металлах с размерами зерен менее 100 нм границы между зернамисильно влияют на их механические свойства.

Этот механизм может привести к созданию материалов со сверхвысокой прочностью и пластичностью;• из-за влияния пограничных эффектов и напряжений термодинамическое фазовое равновесие претерпевает сдвиг или другие изменения, чтоприводит к высвобождению энергии системы, в результате чего возможнопроизводство новых неравновесных (неустойчивых) материалов с неизвестными дотоле свойствами;14• при взаимодействии наноматериалов грандиозно изменяются их трибологические свойства.

Эти изменения приводят к уменьшению трения иизноса подшипников в микросистемах и микрохирургических инструментах.Эффекты и явления в наноматериалах и их возможное применениепредставлены в табл. 1.1.Таблица 1.1Возможное применение эффектов в наноматериалахЭффект наноразмераУвеличенное отношение площади поверхности к объему, усиленная реактивностьНизкий порог перколяции (просачивания,фильтрации)Увеличеннаястойкостьиизносоустойчивость, порождаемая уменьшениемразмеров зерен (гранул)Сужение шины запрещенной зоны при одновременном уменьшении размера зерна(гранулы)Повышенное удельное сопротивление приодновременном уменьшении размера зерна(гранулы)Улучшенная атомная кинетика переносаПониженная температура плавления и агломерации (спекания)ПрименениеКатализ, солнечные элементы ибатареи, газовые датчикиПроводимость материалов, чувствительные элементы датчиковСтойкие покрытия, инструменты,защитные слоиОптоэлектроникаЭлектроника, пассивные элементы, чувствительные элементы датчиковБатареи, хранилища водородаОбработка материалов, низкаятемпература агломерации (спекания) материаловПовышение надежности, снижение уровня Электронные компонентыусталостиВсе страны, в которых на уровне правительства приняты программысоздания и развития наноиндустрии, осознают необходимость опережающего развития метрологии, стандартизации и сертификации в этой области.