Азаренков Н.А. - Наноматериалы

УДК 539.51ББКА21Рекомендовано Ученым советомХарьковского национального университета имени В. Н. Каразина(протокол № 10 от 24 октября 2008 г.)Рекомендовано Ученым советомНаучного физико-технологического центра МОН и НАН Украины(протокол № 6 от 24 октября 2008 г.)Рецензенты: Проценко И.

Е., профессор, доктор физико-математическихнаук, Сумской государственный университет, г. Сумы;Багмут А. Г., профессор, доктор физико-математических наук, НТУ «ХПИ».Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии: Учебное пособие /Азаренков Н. А., Береснев В. М., Погребняк А. Д., Маликов Л. В., Турбин П. В.– Х.: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2009. – 209 с.ISBNВ учебном пособии приведена классификация наноразмерных структур, проанализированы их свойства. Обобщены сведения о проявлении размерных эффектов в физических, механических, термических и других свойствах наноструктурных материалов.

Рассмотрены основные методы получения изолированных наночастиц, ультрадисперсных порошков, компактных нанокристаллических, нанопористых и аморфных материалов, фуллеренов, нанотрубок, а также нанострктурных покрытий. Кратко описаны методы исследований наноструктурных материалов. Изложены современные представления о формировании наноструктурных, нанокомпозитных покрытий ионно-плазменными методами осаждения.

Показанывозможности применения наноструктурных материалов и покрытий в технике. Для студентов, аспирантов и научных работников.ISBNУДК539.51ББК© Харьковский национальный университетимени В. Н. Каразина, 2009© Азаренков Н. А., Береснев В.

М., Погребняк А. Д.,Маликов Л. В., Турбин П. В.© Разработка дизайна обложки Дончик И. Н.,2009СОДЕРЖАНИЕПРЕДИСЛОВИЕ ………………...…………………...………………………. 5Литература .……………………...…………………….………………....... 10РАЗДЕЛ 1. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯНАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ …………………............. 121.1. Общие сведения о наноразмерных структурах ……….………………... 121.2. Механические свойства …………………………….……...……….......

191.3. Термодинамические свойства ………………………….…...………….. 231.4. Электрические свойства ………………………………………………... 241.5. Магнитные свойства …………………………………………………… 26Контрольные вопросы ……………………………………………………… 30Литература к разделу 1 …………….……………………………………..... 30РАЗДЕЛ 2. НАНОПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ …...……………..……..... 32Контрольные вопросы …………………………..………………………….. 39Литература к разделу 2 …………………………….……….....……............. 39РАЗДЕЛ 3. АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ……...…..……………………... 403.1. Свойства аморфных металлических систем ……………...…………..

49Контрольные вопросы …………………………………..………………….. 53Литература к разделу 3 ……………………………….……………….....…. 54РАЗДЕЛ 4. ФУЛЛЕРЕНЫ, ФУЛЛЕРИТЫ, НАНОТРУБКИ ...................... 55Контрольные вопросы ................................................................................... 66Литература к разделу 4 ……………………………..…………………….... 66РАЗДЕЛ 5. НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ …...……..….. 68Контрольные вопросы ………………………………….…………….…….. 76Литература к разделу 5 ………………………………….…….…………….

76РАЗДЕЛ 6. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ …............... 786.1. Порошковая металлургия получения наноматериалов …….……….. 796.2. Получение аморфных материалов …………………………….…..….. 856.3. Методы с использованием интенсивной пластическойдеформации ……………………………………………………………..…... 886.4. Тонкопленочные технологии модификации поверхности ………...... 906.4.1. Методы физического осаждения из паровой фазы (РVD) …..…… 916.4.2. Методы химическое осаждение из паровой фазы (CVD) ….…… 1066.5.

Методы получения фуллеренов, нанотрубок ………..……............ 1106.6. Пучки заряженных частиц низких и средних энергийв нанотехнологиях …………………………..……….............................. 1246.6.1. Особенности прохождения ускоренных заряженных частицв веществе ………………………………………….…...….……..……… 1256.6.2.

Зондовые системы формирования пучков заряженных частиц ..1276.6.3. Взаимодействия ускоренных заряженных частиц срезистивными материалами ……………….……...…………………….. 1313Контрольные вопросы ………….………………………………..……… 133Литература к разделу 6 …………………….………...………………..….. 134РАЗДЕЛ 7. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ …..... 1397.1. Методы структурного и химического анализа нанообъектов ........... 1407.2. Механические испытания твердых тел на нанотвердость ……..…... 148Контрольные вопросы ………………………….…………………………. 153Литература к разделу 7 …………………………………………….……...

153РАЗДЕЛ 8. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ ………………..…………………………..……. 1558.1. Формирование нанокристаллических покрытий …...….………........ 1558.1.1. Роль энергии в формировании наноструктурных пленок ............... 1568.2. Особенности формирования нанокристаллических покрытий ….... 1618.2.1. Влияние ионной бомбардировки на формирование покрытий ...... 1628.2.2. Процесс смешивания ………….……………………………………. 1638.2.3.

Многослойные покрытия с наноструктурой ………………………... 1658.2.4. Нанокомпозитные покрытия ……………………………………….... 1668.3. Нанокристаллические покрытия с высокой твердостью ….……..… 1688.4. Механические свойства нанокристаллических покрытий ……….... 1718.5. Влияние температуры на свойства нанокристаллическихпокрытий …………………………………………...…………………….... 176Контрольные вопросы …………………………………………………….. 180Литература к разделу 8 ……………………….………………...……….... 180РАЗДЕЛ 9. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ТЕХНИКЕ ......... 1839.1. Нанокристаллические покрытия в промышленности …….………... 1839.2. Применение наноструктур для создания элементов приборныхустройств ………………………………………………………….………..

1849.3. Области применения микро- и наноразмерных структур,созданных с помощью сфокусированных пучков заряженных частиц …1869.4. Потенциальные возможности примененияуглеродных нанотрубок …………………………………………………... 1929.5. Био-нанотехнологии. Искусственные материалы ….………….…… 1969.6. Нанофильтрование как новый способ очистки питьевой воды ….... 202Контрольные вопросы …………………………………………………….

202Литература к разделу 9 …………………………….…………………….... 203СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ ……………..……………………………….…… 2064ПРЕДИСЛОВИЕВ последние годы исследование субмикронных, нано- и кластерныхматериалов получило быстрое развитие благодаря существующим и/илипотенциальным применениям во многих технологических областях, такихкак электроника, катализ, магнитное сохранение данных, структурныекомпоненты и т.п.Субмикронные и нанокристаллические металлические и керамические материалы в настоящее время широко применяются в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в современных микроэлектронных устройствах, деталях авиакосмической техники, в качестветвердых износостойких покрытий обрабатывающей промышленности.Чтобы удовлетворить технологические требования в указанных областях,размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронногоили нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурногоэлемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют отличные от массивного новые физико-механические свойства.

Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов (далее– наноматериалов), исследование свойств полученных наноструктур вразличных условиях. По размерной шкале материалы, имеющие размерзерна от ~ 0,3 до 0,04 мкм, относятся к субмикрокристаллическим [1 – 18].Материалы, состоящие из структурных единиц меньших, чем указанывыше, относятся к наноматериалам.Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными,нанофазными и т.д.) принято понимать материалы, структурные элементы(зерна, кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают нанотехнологической границы – 100 нм (1 нм = 10–9 м), по крайней мере, водном пространственном направлении. Сами наноматериалы по размерам структурных единиц и числу атомов в них условно делятся на нанокластеры и нанокристаллы.Нанокластеры, в свою очередь, делятся на малые (с числом атомов 3– 12, 100% поверхностных атомов, без внутренних слоев), большие (с числом атомов 13 – 150, 92 – 63 % поверхностных атомов, 1 – 3 внутреннихслоя), гигантские нанокластеры (с числом атомов 151 – 22000, 63 – 15 %поверхностных атомов, 4 – 18 внутренних слоя).

Условно верхняя границакластера соответствует такому числу атомов, при котором добавление ещеодного атома уже не меняет физико-химические свойства кластеров. Какпоказали теоретические расчеты, подтвержденные экспериментальнымиисследованиями, для кластеров, содержащих менее 300 атомов, наиболеестабильной должна быть икосаэдрическая форма. Увеличение числа ато5мов в кластере приводит к быстрому росту энергии упругой деформации,которая пропорциональна объему, следствием чего является дестабилизация икосаэдрической структуры в пользу развития гранецентрированнойкубической решетки.Большие по числу атомов структурные единицы с размером 3 – 40нм относятся к нанокристаллам.

Нанокристаллические материалы имеютразнообразные формы и обладают уникальными химическими, физическими и механическими свойствами. Выбор такого размерного критерияобусловлен тем, что верхний предел (максимальный размер элементов)для наноструктур должен быть связан с неким критическим параметром:длиной свободного пробега носителей в явлениях переноса, размерамидоменов/доменных стенок, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций, длиной волны де Бройля и т.п. Наличие комплекса новыхкачеств и свойств наноструктурных систем свидетельствует о существовании особого конденсированного состояния вещества, которое реализуется в наноструктурных средах.

Получение наноструктурных материаловна основе различных металлов и сплавов в настоящее время осуществляют специально разработанными технологическими методами.За последние годы в области физики и технологии наноструктурныхматериалов достигнуты определенные успехи. В частности, важный этапразвития исследований наноструктурных материалов связан с систематическим изучением микропроцессов, протекающих на межфазных границахпри получении наноструктурных систем.

Это позволило предложить методики расчета оптимальных технологических параметров перспективныхспособов формирования наноструктурных материалов.В ряде изданий, монографий и статей [19 – 30] изложены сведения о технологии, структуре, свойствах и применении наноматериалов инаноструктур, однако там приведено лишь описание отдельных представителей классов и не отражены в полной мере особенности современного наноструктурного направления нанотехнологии в целом. Чем жеобуславливается современный интерес к нанотехнологии вообще и к исследованию наноструктур в частности?С одной стороны, методы нанотехнологии позволяют получатьпринципиально новые материалы, которые найдут применение как компактные и функциональные материалы новых технологий.

Это первостепенно важно в связи с созданием новой элементной базы для выпуска наноустройств будущего, независимо от физических принципов их функционирования.С другой стороны, нанотехнологии являются весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в областифизики, химии, материаловедения, биологии, технологии, направлений вобласти интеллектуальных/самоорганизующихся систем, высокотехнологичной компьютерной техники и т.д. Наконец, решение проблем нано6технологии, в первую очередь исследовательских, выявило множествопробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях.