ОНЭиНТ_Сидорова_Л5(7,5) (Лекции по ОНЭиНТ)

Московский  государственный  технический  университет  им.  Н.Э.  Баумана  Факультет:  Машиностроительные  технологии  (МТ)  Кафедра:  Электронные  технологии  в  машиностроении  (МТ  11)  Основы  наноэлектроники    и    нанотехнологий  Сидорова    Светлана    Владимировна  2015  Лекция  5  Методы  получения    наноразмерных  частиц    Технология  «сверху-­‐вниз»  –  методы  получения  наночастиц  путем  измельчения  обычного  макрообразца  -­‐  диспергационные  методы.      Технология  «снизу-­‐вверх»  –  методы  «выращивания»  наночастиц  из  отдельных  атомов  или  молекул  -­‐конденсационные  методы.    Методы  получения    наноразмерных  частиц  На  примере  графена  обе  технологии:  снизу-­‐вверх  и  сверху-­‐вниз  Методы  получения    наноразмерных  частиц  Процессы  получения  нанообъектов  также  можно  подразделить  по  агрегатному  состоянию  среды,  в  которой  образуются  наноструктуры.

   Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ»  Методы  технологии  «сверху-­‐вниз»:    •  Литография  •  Помол  и  диспергирование  (механическая  гомогенизация)  •  Золь-­‐гель  технологии  (химическая  гомогенизация)  •  Конденсированные  среды  •  и  др.  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ»  •  Литография  •  Помол  и  диспергирование  (механическая  гомогенизация)  •  Золь-­‐гель  технологии  (химическая  гомогенизация)  •  Конденсированные  среды    Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Литография  Изменение  по  годам  технологического  размера  ИМС  • • • • • • • • • Используемые  в  литографии  источники  излучения  и  соответствующие  длины  волн  Литография  глубокого  УФ  диапазона  Иммерсионная  литография  Литография  экстремального  УФ  диапазона  Рентгеновская  литография    Электронная  литография  Ионная  литография  Наноимпринтная  литография  Безмасочная  многолучевая  литография  Наносферная  литография  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Литография  Б.А.  Лапшинов  «Технология  литографических  процессов»  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Литография  Б.А.  Лапшинов  «Технология  литографических  процессов»  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Литография  Наноимпринтная  литография  Hyeong-­‐Ho  Park  etc.  Photo-­‐induced  hybrid  nanopatterning  of  titanium  dioxide  via  direct  imprint  lithography  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Литография  Наносферная  литография  R.  Sanz  etc.  Well-­‐ordered  nanopore  arrays  in  rutile  TiO2  single  crystals  by  swift  heavy  ion-­‐beam  lithography  /  Nanotechnology.  V.18.  N.30.  1  August  2007.  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ»  •  Литография  •  Помол  и  диспергирование  (механическая  гомогенизация)  •  Золь-­‐гель  технологии  (химическая  гомогенизация)  •  Конденсированные  среды    Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Помол  и  диспергирование      Помол  –  измельчение  материала  механическим  способом.

   ЗАО  “Активатор”  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Помол  и  диспергирование            а)                        б)          в)      Режимы  помола:  а)  ударный;  б)  вихревой;    в)  удар  со  сдвигом;                        г)  удар  вихревой.    Схема  мельницы  планетарного  типа              г)  Агрегат  из  субмикронных  частиц  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Ультразвуковое  диспергирование    Диспергирование  (от  лат.  dispersio  —  рассеяние)  —  тонкое  измельчение  твёрдых  тел  или  жидкостей,  в  результате  чего  получают  порошки,  суспензии,  эмульсии.  При  диспергировании  твёрдых  тел  происходит  их  механическое  разрушение.

 Обычно  термином  диспергирование  обозначается  размельчение  твердых  тел  в  жидкой  среде.            Ультразвуковое  диспергирование  –  тонкое  размельчение  твердых  веществ  или  жидкостей,  т.е.  переход  веществ  в  дисперсное  состояние  с  образованием  золя  под  действием  ультразвуковых  колебаний.    А.К.  Иванов-­‐Шиц,    Л.Н.  Демьянец    Институт  кристаллографии  РАН,  Москва  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Ультразвуковое  диспергирование  Средние  размеры  частиц  нанопорошков,  получаемых  механическим  измельчением,  составляют  от  2  до  200  нм.  Эмпирические  зависимости  величины  диспергирования  твердых  частиц  Dm  =  f(P0)  при  различных  РS.  1  -­‐  РS  =106  Па  (10  атм).  2  -­‐  РS  =2*106  Па  (20  атм).

 3  -­‐  РS  =5*106  Па  (50  атм).  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Электровзрывной  метод  «Передовые  порошковые  технологии»    Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Нанопорошки  Алмазный    нанопорошок  Нанопорошок  оксид  хрома  III  Нанопорошок  меди  (слева)  и  серебра  (справа),  изображение  получено  с  помощью  РЭМ  Нанопорошок  нитрид  титана  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ»  •  Литография  •  Помол  и  диспергирование  (механическая  гомогенизация)  •  Золь-­‐гель  технологии  (химическая  гомогенизация)  •  Конденсированные  среды    Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Золь-­‐гель  технологии    Золь-­‐гель  процесс  (англ.  sol-­‐gel  process)  —  технология  материалов,  в  том  числе  наноматериалов,  включающая  получение  золя  с  последующим  переводом  его  в  гель,  то  есть  в  коллоидную  систему,  состоящую  из  жидкой  дисперсионной  среды,  заключенной  в  пространственную  сетку,  образованную  соединившимися  частицами  дисперсной  фазы.    Золь  –  коллоидный  раствор  (англ.

 sol  от  лат.  solutio  —  раствор)  —  высокодисперсная  коллоидная  система  (коллоидный  раствор)  с  жидкой  (лиозоль)  или  газообразной  (аэрозоль)  дисперсионной  средой,  в  объеме  которой  распределена  другая  (дисперсная)  фаза  в  виде  капелек  жидкости,  пузырьков  газа  или  мелких  твердых  частиц,  размер  которых  лежит  в  пределе  от  1  до  100  нм.

   Гель  –  (от  лат.  gelo  —  «застываю»)  —  структурированные  системы,  состоящие  из  высокомолекулярных  и  низкомолекулярных  веществ.  Наличие  трёхмерного  полимерного  каркаса  (сетки)  сообщает  гелям  механические  свойства  твёрдых  тел  (отсутствие  текучести,  способность  сохранять  форму,  прочность  и  способность  к  деформации  (пластичность  и  упругость).  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Золь-­‐гель  технологии  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».  Золь-­‐гель  технологии  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ»  •  Литография  •  Помол  и  диспергирование  (механическая  гомогенизация)  •  Золь-­‐гель  технологии  (химическая  гомогенизация)  •  Конденсированные  среды    Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Конденсированные  среды  Коллоидный  раствор  наночастиц  серебра.  Форма  и  размер  наночастиц  отвечает  за  цвет  растворов.  100  нм  Коллоидный  раствор  наночастиц  золота.    Коллоидный  раствор  оксида  железа  в  воде  меняет  цвет  под  действием  внешнего  магнитного  поля.  Величина  магнитного  поля  увеличивается  слева  направо.  Технология  «СВЕРХУ-­‐ВНИЗ».

 Конденсированные  среды      Методы  конденсированных  сред  Физические:  •  Фотовосстановление.  •  Лазерная  абляция.  •  Ультразвуковая  обработка.  •  Радиолиз.  •  Низкотемпературная  соконденсация  паров.  •  Искровой  разряд  в  жидкости.  Химические.  Биологические.

   Б.  М.    Сергеев,   Микрофотография  НЧ  серебра  после  15-­‐М.В.    Кирюхин,  минутного  Ф.Н.    Бахов,  фотооблучения  В.Г.    Сергеев  А.Ю.  Олеин,    Г.В.  Лисичкин  Принципиальная  схема  установки  для  получения  золей  металлов  методом  лазерной  абляции:  1  –  источник  лазерного  излучения;  2  –  фокусирующая  линза;  3  –  реакционная  среда;  4  –  образец  Принципиальная  схема  установки  низкотемпературной    соконденсации  паров:  1  –  электроды  испарителя  металлов;  2  –  линия  подачи  органического  реагента;  3  –  вакуумная  линия;  4  –испаритель  металла;  5  –  матрица  низкотемпераьтурного    соконденсата  паров;  6  –  жидкий  азот  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ»  Методы  технологии  «снизу-­‐вверх»:    •  Самосборка  (самоорганизация).  •  Сборка  –  получение  кластеров.

 •  Осаждение  (физические  методы).  •  Осаждение  (химические  методы).  •  Нанореакторы.  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ»  •  Сборка  –  получение  кластеров.  •  Осаждение  (физические  методы).  •  Осаждение  (химические  методы).  •  Нанореакторы.  •  Самоорганизация.    Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ».  Получение  кластеров  Кластер  –  система  большого  числа  связанных  частиц.

   Важный  параметр  –  плотность  упаковки  –  доля  пространства,  занимаемая  частицами,  которыми  занято  все  пространство.  Два  варианта  сборки  сложных  фигур  из  трёх  типов  частиц  (иллюстрация  Benjamin  Yellen  lab).  Это  разносортные  частицы  из  ферромагнитной  жидкости  под  воздействием  магнитного  поля.  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ».  Получение  кластеров    1  –  область  образования  кластеров  (после  расширения  сжатого  газа  в  вакууме);    2  –  ионизация  кластеров  в  результате  облучения  светом;    3  –  масс-­‐спектрометр,  где  происходит  селекция  кластеров  с  заданным  количеством  частиц;    4  –  детектор  для  регистрации  кластеров.  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ»  •  Сборка  –  получение  кластеров.  •  Осаждение(физические  методы).

 •  Осаждение  (химические  методы).  •  Нанореакторы.  •  Самоорганизация.  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ».  Физические  методы  осаждения    Физическое  осаждение  из  газовой  фазы  (сокр.,  PVD  от  англ.  physical  vapour  deposition  или  PVD-­‐process)  —  технология  нанесения  покрытий  (тонких  пленок)  в  вакууме  из  паровой  (газовой)  фазы,  при  которой  покрытие  получается  путем  прямой  конденсации  пара  наносимого  материала.

 Обобщающая  схема  процесса  физического  осаждения  покрытий:      1  -­‐  базовая  плита;    2  -­‐  камера;    3  -­‐  распыляемый  материал;    4  -­‐  подведение  энергии  для  распыления  материала;    5  -­‐  поток  напыляемых  частиц;    6  -­‐  заслонка;    7  -­‐  покрытие;    8  -­‐  напыляемое  изделие  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ»  •  Сборка  –  получение  кластеров.

 •  Осаждение  (физические  методы).  •  Осаждение  (химические  методы).  •  Нанореакторы.  •  Самоорганизация.  Технология  «СНИЗУ-­‐ВВЕРХ».  Химические  методы  осаждения    Химическое  осаждение  из  газовой  фазы  (химическое  осаждение  из  пара  (англ.  chemical  vapour  deposition  или  chemical  vapor  deposition  сокр.,  CVD))  —  метод  получения  тонких  пленок  и  порошков  при  помощи  высокотемпературных  реакций  разложения  и/или  взаимодействия  газообразных  прекурсоров  на  подложке  (получение  пленок)  или  в  объеме  реактора  (получение  порошков).    Позволяет  получать  покрытия  различной  структуры  (монокристаллические,  эпитаксиальные,  аморфные,  поликристаллические)  на  поверхностях  сложной  формы,  в  том  числе  с  высокой  степенью  кривизны.