ЭМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 2

Лабораторные работы ориентируют студентов на решение типовых задач исследованияи анализа нанообъектов, возникающих при производстве элементной базы электронной аппаратуры, выбор соответствующих поставленной задаче методов и методик проведения измерений, обладающих максимальной эффективностью. Темы лабораторныхработ и их содержание связаны с формированием и развитиему будущих специалистов практических навыков измерения, анализа результатов измерений и формулирования выводов по наиболееэффективному применению методов и средств микроскопии.Введение9В составе дисциплины «Электронная микроскопия» предусмотрены теоретические разделы, по которым имеются доступныеучебно-методические материалы и учебная литература, изучаемыестудентами самостоятельно под контролем преподавателя.

Содержание соответствующих тем разделов направлено на усиление роли фундаментальных знаний в теоретической и профессиональнойподготовке студента и способствует формированию фундаментальных системных знаний и развитию творческих способностей.1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙОсновная цель дисциплины: освоение базовых методик проведения научного эксперимента средствами электронной микроскопии.Задачи дисциплины: формирование теоретических и практических навыков работы с методами и средствами электронноймикроскопии.1.1. НАНОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ:КЛАССИФИКАЦИЯ, ФОРМИРОВАНИЕИ ИССЛЕДОВАНИЕ1.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХОсновные методы микроскопии изложены в [19, 39, 73]. На сегодняшний момент можно с уверенностью сказать, что изучениенаноразмерных структур (далее – наноструктур) относится к направлению «нанотехнологии».

Важными составляющими этогонаучно-технического направления является разработка и изучениенаноструктурных материалов (далее – наноматериалов), наноразмерных объектов (далее – нанообъектов), способов их совмещения, а также исследование свойств полученных наноструктурв различных условиях.Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолокнистыми, нанопористыми и т. д.[2, 6, 10, 13]) принято понимать материалы, основные структурныеэлементы (кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают так называемой нанотехнологической границы – 100 нмКонспект лекций11(1 нм = 10−9 м), по крайней мере в одном направлении1.

Ряд исследователей высказывает мнение, что верхний предел (максимальныйразмер элементов) для наноструктур должен быть связан с некимкритическим характерным параметром: длиной свободного пробеганосителей в явлениях переноса, размерами доменов / доменных стенок, диаметром петли Франка–Рида для скольжения дислокаций,длиной волны де Бройля и т. п. В задачу исследований входит установление многообразных связей между свойствами и структуройматериалов с выявлением оптимальных наноструктур, что осуществляется в тесной связи с технологией изготовления и последующейэксплуатацией наноструктурных материалов.0123Рис. 1.1. Наноструктуры различной размерностиОбщепринятым подходом к определению нанообъектов является положение о том, что к ним относятся такие объекты, размерыкоторых хотя бы в одном из пространственных направлений составляют примерно 0,1–100 нм [6] – это так называемые малоразмерные объекты.

Стоит отметить, что объекты, имеющие малые(менее 100 нм) размеры могут быть разделены на нульмерные / квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы), одномерные / квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки), двухмерные / квазидвухмерные (тонкие пленки, поверхности разделов) и трехмерные / квазитрехмерные (многослойныеструктуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) по количеству направлений, в которых линейные размеры L 100 нм.

Также особое место занимают структуры1Здесь не рассматриваются традиционные материалы (например, дисперсно-упрочненные или обычно деформируемые), в структуре которых мелкие элементы занимают незначительный (не более 10%) объем.12Электронная микроскопияс дробной размерностью D (фракталы) 1 < D < 2 или 2 < D < 3(гетероструктуры, квазирешетки из квантовых точек и квантовыхям) [6]. Соответствующий подход применим и к наноструктурам,только в случае наноструктур речь идет о структурных элементах(рис. 1.1).

Размерные характеристики некоторых современных систем даны в табл. 1.1 [1, 73].Таблица 1.1Пр о с тр а нс т ве н ные м а с шт а б ы со врем ен н ы х с и стемОбъектПараметр объекта1Макро: > 1 мм2Чипы, интегральныеХарактерный размермикросхемыСердце взрослогочеловекаХарактерный размерМобильные компьютеры, мобильные Характерный размертелефоны и т. д.Микро: 1–103 мкмТопологические элементы интегральных Характерный размерсхемВеличинапараметра3(мм)0,1–1100100Интеграция макро-,микро- и нанотехнологий электроникиИнтеграция макро-,микро- и нанотехнологий миокардаИнтеграция макро-,микро- и нанотехнологий электроники(мкм)0,1–1,0Клетки кровиХарактерный размер7Клетки сердцаХарактерный размер50МикромеханическийХарактерный размеракселерометр500Нано: 1–103 нмДополненияи комментарии4ТехнологииВнутрисосудистыенано- и микророботыВизуализация трансмембранного потенциала на клеточномуровнеИнтеграция микромеханических и наномеханических технологий электроники(нм)АтомыДиаметр атомов:SiGe0,2360,246КристаллическаярешеткаПостоянные решетки:SiGaAsGe0,5430,5650,566Разрешение просвечивающей электронной микроскопии< 0,2 нмЭлектронная микроскопия полупроводниковых гетероструктурКонспект лекций13Продолжение табл.

1.1123ФуллеренРазмер0,714НуклеотидыСканирующийтуннельныймикроскопУглеродныенанотрубкиоднослойныеЗондоваянанолитографияПористыеполупроводникиРазмеры:цитозин фосфат(наим. аминокислотаДНК)гуанин фосфат (наим.аминокислота ДНК)Расстояние междузондом и поверхностью материалаДиаметрШириналинииРазмерынанокристаллов4Электронная микроскопия углеродныхматериалов0,810,86~11–55–1510–100Квантовые точкиРазмеры1–10КвантовыепроволокиСечение< 10 × 10Квантовые ямыРазмеры10–100ФотонныекристаллыПериод измененияпоказателя преломления100–500Одномерные волноводные структурыс фотонными запрещенными зонами(брэгговскиерешетки)Период измененияпоказателя преломления100–500Периодические доменные структуры всегнетоэлектрических кристаллахПериод измененияспонтанной поляризации500–3000ПереходДжозефсонаШирина барьера:высокотемпературные сверхпроводники, низкотемпературные сверхпроводники~130–70Элементы наноэлектроникиЭлементы наноэлектроникиНелинейные оптические преобразователиЭлементы наноэлектроникиЭлементы наноэлектроникиЭлементы наноэлектроникиЭлементы интегральных оптических волноводовВолоконнооптические сенсоры,компоненты волоконно-оптическихлиний связи со спектральным уплотнением, оптические линиизадержкиНелинейнооптические устройства преобразованиячастоты светаЭлементы наноэлектроники14Электронная микроскопияОкончание табл.

1.112Длина когерентностикуперовских парэлектронов:высокотемпературные сверхпроводники, низкотемпературные сверхпроводникиТолщина активнойобласти на монокристаллической подложке0,1–1,5ДатчикинаноперемещенийЧувствительность5–100Клеточная мембранаТолщина7СверхпроводникиСверхпроводниковый элемент343–800100Элементы наноэлектроникиЭлементы наномеханикиТрансмембранныйпотенциалИзучение наноструктур и наноматериалов, как направление нанотехнологических и нанонаучных изысканий, базируется на нескольких фундаментальных и прикладных науках, а также на исследовательских методиках, видение иерархии которых данона рис. 1.2. Основой являются такие фундаментальные науки, какфизика, химия и биология, на стыке которых находятся несколькоинтегративных направлений: квантовая теория (описывающая способы поведения и взаимодействия элементов наноструктур в нанометровом диапазоне), физическое материаловедение (точнее, егочасть, изучающая свойства наноматериалов), физика и химия вероятности (поскольку законы поведения материи приобретают не детерминированный, а вероятностный характер), химический синтез,биохимия и молекулярная биология (описывающие наноструктурыбиологического происхождения и химические процессы синтеза наноструктур и протекающие в самих наноструктурах).

Современнаяметодология экспериментальных исследований предполагает такженаличие моделей (в идеале адекватных компьютерным) исследуемых структур, а также методов получения информации о свойствахи структуре моделируемых объектов.В рамках конспекта лекций приведено лишь описание отдельныхпредставителей классов и не отражены в полной мере особенностисовременного наноструктурного направления нанотехнологии в целом. Чем же обусловливается современный интерес к нанотехнологии вообще и к исследованию наноструктур в частности?Конспект лекций15ХимияКомпьютерноемоделированиеФизикаФизическоематериаловедениеКвантоваятеорияФизикаи химиявероятностиЗондовыеметодыБиологияБиохимияХимическийсинтезМолекулярнаябиологияРис.