ЭМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 3

1.2. Принципиальный базис нанотехнологииС одной стороны, методы нанотехнологии позволяют получать принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превышающими их современный уровень.Это первостепенно важно для создания новой элементной базыдля выпуска наноустройств будущего, независимо от физическихпринципов их функционирования.С другой стороны, нанотехнология является весьма широкиммеждисциплинарным направлением, объединяющим специалистовв области физики, химии, материаловедения, биологии, технологии,направлений в области интеллектуальных / самоорганизующихсясистем, высокотехнологичной компьютерной техники и т. д.Наконец, решение проблем нанотехнологии, в первую очередьисследовательских, выявило множество пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях.

Все вышеперечисленное способствует концентрации внимания научно-инженерногосообщества в этом направлении.Во многих технологически продвинутых странах (США, Объединенная Европа, Япония, Китай) приняты и активно претворяются в жизнь национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие различных научно-технических разработок, относящихся к области нанотехнологии и наноструктур.16Электронная микроскопияЕсли говорить о наноматериалах, то среди некоторых исследователей [24, 65] принято выделять несколько основных разновидностей:♦ консолидированные наноматериалы;♦ нанополупроводники;♦ нанополимеры;♦ нанобиоматериалы;♦ фуллерены и нанотрубки;♦ наночастицы и нанопорошки;♦ нанопористые материалы;♦ супрамолекулярные структуры.Консолидированные материалы – компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть в изолированном и, частично, в смешанном (консолидированном) состоянии.Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с моментаоткрытия (Н.

Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропнойформы углерода – кластеров С60 и С70, названных фуллеренами.Более пристальное внимание новые формы углерода привлеклик себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С.

Ишима, 1991).Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают в общем случае нанотехнологической границы. Различиесостоит в том, что наночастицы имеют возможный изолированныйхарактер, тогда как нанопорошки – обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связеймежду молекулами и их ансамблями.Из вышеперечисленного видно, что различные наноматериалыи наноструктуры разительно различаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам.

Их объединяетКонспект лекций17характерный малый размер элементов (частиц, зерен, трубок, пор),определяющий структуру и свойства.Если говорить о наноматериалах в целом, то одной из важныхособенностей их структуры является обилие поверхностей раздела(межзеренных границ и тройных стыков – линий встречи 3-х зерен).Схема тройного стыка, образованного зернами в виде тетраэдрических додекаэдров, приведена на рис.

1.3, а; на рис. 1.3, б представлена зависимость общей доли поверхностей раздела, а такжедоли собственно межзеренных границ и доли тройных стыковот размера зерен.Объемноесодержание, %12102101МежзереннаяграницаТройной стык3100s10−1 010110а10б2103Размерзерна,нмРис. 1.3. Схема тройного стыка (а) и влияние размера зерна (б)на общую долю поверхностей раздела (1), долю межзеренных границ (2)и тройных стыков (3) при s = 1 нм [45]Общая доля поверхностей раздела составляет:3Vпр = 1 − ⎣⎡( L − s ) L ⎦⎤ ~ 3s L ;доля собственно межзеренных границ:2Vмг = ⎡3s ( L − s ) ⎤ L3 ;⎣⎦и соответственно доля тройных стыков:Vтс = Vпр − Vмг ,(1.1)(1.2)(1.3)где L – размер зерна, s – ширина границы (приграничной зоны).Одной из наиболее распространенных классификаций для основных типов структур неполимерных наноматериалов являетсяизвестная классификация Г. Глейтера [12].

По химическому составу и распределению фаз выделяются четыре типа структуры18Электронная микроскопия(табл. 1.2): однофазные, статические многофазные с идентичнымии неидентичными поверхностями раздела и матричные многофазные. Также можно выделить три типа структуры по форме: пластинчатую, столбчатую и содержащую равноосные включения.Здесь учитываются также возможности сегрегации на межкристаллитных границах. Наиболее распространены одно- и многофазные матричные и статические объекты, столбчатые и многослойные структуры (в большинстве случаев – для пленок).Таблица 1.2К лас с иф и ка ц и я ко нсо л и д ир о в а нн ы х на ном ат е риа ло вХим.составФормаОднофазныйСостав и распределениеМногофазныйСтатистическоеИдентичныеНеидентичграницыные границыМатричноеПластинчатаяСтолбчатаяРавнооснаяЖизнеспособной также представляется двухбазисная классификация наноразмерных структур (НРС), представленная на рис. 1.4.Здесь одно направление классификации (по нанобазису) отражает различие происхождения наноструктур, другое (по топологии) разделяет наноструктуры по непрерывности.

Подробнее этинаправления представлены в табл. 1.3 и 1.4.Отдельную нишу, с точки зрения применения в наноэлектроникеи нанофотонике, занимают такие материалы, как нанокомпозиты,нанокерамика, нанопористые материалы, сверхпроводящие материалы, а также наноэлектромеханические системы (НЭМС / NEMS).Нанокомпозиты определяются наличием четкой границы разделов элементов, объемным сочетанием компонентов, а также тем,что свойства композиции шире, чем свойства совокупности ком-Конспект лекций19По нанобазисупонентов. По характеру связности структурных элементов композиты делятся на матричные (один компонент – матрица, другие –включения), каркасные (компоненты – взаимопроникающие жесткие монолиты) и однокомпонентные поликристаллы (структурныеэлементы – одно вещество с разной ориентацией главных осейанизотропии). По форме структурных элементов нанокомпозитыделятся на волокнистые, зернистые и слоистые.

По объемномурасположению структурных материалов – регулярные и стохастические. Некоторые свойства описаны в работе [30]. В электроникеприменимы в основном сегнетоэлектрики.КлассическиетвердотельныеНРССинтетическиеНРСНаноразмерныебиоструктурыПо топологииНРСНепрерывныеНРСКомбинированныеНРСДискретныеНРСМногофункциональныеНРСРис. 1.4. Классификация наноразмерных структур (НРС)Таблица 1.3К лас с иф и ка ц и я на нос т р ук т ур по на но баз и с уКлассические твердотельные НРСНаночастицы.Нанотрубки.Ме, п / п, диэл. тонкиепленки.Квазиодномерные проводники.Квазинульмерные Ме,п / п, диэл.

объекты.Нанокристаллыи т. д.Синтетические НРСНанополимеры.Синтетические нановолокна.Синтетические тонкиепленки.Наноколлоиды.Нанокристаллы.(каучук, кевлар, тефлони т. п.)НаноразмерныебиоструктурыБиомолекулярные комплексы.Модифицированные вирусы.Органические наноструктуры20Электронная микроскопияТаблица 1.4К лас с иф и ка ц и я на нора змер ны х с тр ук т ур по т о по лог и иНепрерывные, квазинепрерывные НРСКвазитрехмерные (многослойные, с наноразмерными дислокациями,сверхрешетки, нанокластеры).Квазидвухмерные (тонкопленочные).Квазиодномерные(нанопроводники,нанотрубки)Дискретные, квазинульмерные НРСНаночастицы.Квантовые точки.Квантовые ямы.Наноразмерные точечныедефекты.Элементы периодическихструктурКомбинированные НРСГетерогенныеструктуры.Периодические многокомпонентныеструктуры.Многообъектные сложные структуры (фрактальные)Нанокерамика – поликристаллические материалы, полученные спеканием неметаллических порошков с размером частицменее 100 нм.

Нанокерамику обычно делят на конструкционную(для создания механически прочных конструкций) и функциональную (со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями). Перспективность нанокерамики обусловлена сочетанием многообразия свойств, доступностью сырья, экономичностью технологии производства,экологичностью и биосовместимостью. Некоторые разновидностиобладают проводящими, полупроводниковыми, магнитными, оптическими, термическими и другими свойствами, которые интересноиспользовать в элементах приборных устройств.

Функциональной,с точки зрения совмещения электронных и наномеханических систем, является пьезокерамика, способная поляризоваться при упругой деформации и деформироваться под воздействием внешнегоэлектромагнитного поля.Нанопористые материалы – с размером пор < 100 нм – представляют интерес как промежуточные структуры в технологическом процессе изготовления наноэлектронных изделий: напримеркак мультикатализаторы; как источники энергии и сенсоры.Сверхпроводники (имеются в виду высокотемпературные) представляют особый интерес, так как делают возможным созданиедешевых электронных приборов на основе эффектов Джозефсонаи Мейснера [21], возможных только в сверхпроводниках. При этомнаилучшие характеристики достигаются при размерах активнойзоны менее 10 нм, что связано с малой длиной корреляции носителей в высокотемпературных сверхпроводниках (0,1–1,5 нм).

С по-Конспект лекций21явлением методов формирования наноразмерных структур сталовозможным создание очень экономичных и быстродействующихэлементов цифровой электроники, чувствительнейших датчиковмагнитного поля и аналоговых элементов.Наноэлектромеханические системы – это совокупность электронных и механических элементов, выполненных в наноразмерномисполнении на основе групповых методов.

Сложные функциональные системы могут строиться на основе микро-, нанотехнологийи наноматериалов. Преимущества НЭМС состоят в сопряжении элементов различного функционального назначения – механическихи электронных. Приборы НЭМС могут включать наночувствительный элемент (ЧЭ, актюатор), схему преобразования сигнала, системы управления, системы хранения и передачи информации. Наибольший интерес представляет технология кремний-на-изоляторе(КНИ), позволяющая не только улучшить основные характеристикимикро- и наносистем, но и значительно расширить перспективыприборных реализаций изделий микро- и наноэлектроники, включаянаносенсорику и наносистемную технику, например структурыКНИ и составные структуры позволяют в перспективе разрабатывать схемы с трехмерной интеграцией.Нанопроводники и нанотрубки могут использоваться как отдельные функциональные элементы (T-, Y-образные нанотрубкимогут работать как транзисторы), так и в качестве элементов – например как канал полевого транзистора или элементы нанопамяти(подробнее см.