ФХОЭТ_Сидорова_М1-Л1 (Лекции ФХОЭТ)

Московский государственный технический университет им.Н.Э.БауманаФакультет: Машиностроительные технологии (МТ)Кафедра: Электронные технологии вмашиностроении (МТ11)Физико-химические основыэлектронныхтехнологийСидороваСветланаВладимировна,асс.каф.МТ11МГТУим.Н.Э. БауманаE-mail:sidorova_bmstu@mail.ru2016Структуракурса«Физико-химическиеосновыэлектронныхтехнологий»Модуль1«Общиеположения,понятияиопределения»Введение.Дисперсноесостояниевещества. Наноразмерные системы. Размерный эффект.Основытермодинамики поверхностных явлений.Поверхностное натяжениеисвободная энергияповерхностей раздела фаз.Рубежный контроль потематикемодуля– 4неделя (задача+тест=10б.+10б.=20б.).Модуль2«Методыанализананоматериалов инаносистем»Методы анализа поверхности.Методы анализа наноразмерных материалов.Особенностианализа высокодисперсных систем.Рубежный контроль потематикемодуля– 8неделя (тест20б.).Модуль3«Методыформированиянаноматериалов инаносистем»Методы формирования наночастиц.Классификация методовпопринципам«снизу– вверх» и«сверху-вниз», физические ихимические методы.Нуклеация иагломерация.

Основные параметры ростананочастиц.Зарождение иростнаночастиц вгомогеннойсреде инаповерхноститвердого тела.Теориироста тонкопленочных покрытий. Модели ростаУолтона-Родина.Механизмы ростананоструктур.Формирование островковых наноструктур.Рубежный контроль потематикемодуля– 12неделя(тест30б.).Модуль4«Приборы,устройстваиоборудованиенанотехнологий»Виды оборудования для получениянаноструктурированных покрытий инаночастиц.Солнечные батареи. Нанотранзисторы.

Нанопроцессоры. Наносенсоры.Автоэмиссионные катоды. Нанотехнологии вбиологииимедицине.Рубежный контроль потематикемодуля– 16неделя(тест+реферат=10б.+20б.=30б.).2Рабочийучебныйпланпокурсу«Физико-химическиеосновыэлектронныхтехнологий»34Модуль1«Общиеположения,понятияиопределения»Лекция15Там,внизу,ещемногоместаРичардФейнманВведениеИсаакНьютон«Optics»1704г.РичардФейнман«There’sPlentyofRoomattheBottom»1959г.Норио Танигучи«OntheBasicConceptof«Nano-Technology»1974г.ЭрикДрекслер«Машинысоздания:грядётэрананотехнологий»1980г.Средневековыевитражи:краскасметаллическимичастицамизолота6нанометрового размераВведениеНаиболеевыдающиесядостижениявобластинанотехнологии отмеченыНобелевскимипремиямипофизике ихимии:1973– затеоретическоепредсказаниеиэкспериментальноеоткрытиетуннельныхявлений(Л.Есаки,И.Гевер,Б.Джозефсон);1985– заоткрытиеквантовогоэффектаХолла(К.фонКлитцинг);1986– засозданиеметодовэлектронной(Э.Руска)итуннельной(Г.Бриннинг,Г.Рорер)микроскопиивысокогоразрешения;1996- заоткрытиефуллеренов(Р.Смолли,Р.Кёрл,Г.Крото);1998- заразвитиетеориифункционалаплотностииразработкувычислительныхметодовквантовойхимии(У.Кон,Дж.Попл);1998– заоткрытиедробногоквантовогоэффектаХолла(Р.Лафлин,Х.Штермер,Д.Цуи);2000– засозданиеполупроводниковыхгетероструктур иразработкуполупроводниковыхинтегральныхсхем(Ж.И.Алферов,Г.Кремер,Дж.Килби);2000- заоткрытиепроводимостивполимерах(Х.Сиракава,А.Хигер,А.Мак-Диармид);2008- заоткрытиеиразработкуметодовиспользованиязеленогофлуоресцентногобелка(О.Симомура,М.Чалфи,Р.Цянь);2010– заисследованияграфена (А.Гейм,К.Новоселов).7Нобелевскаяпремияпофизике1973г.–затеоретическоепредсказаниеиэкспериментальноеоткрытиетуннельныхявленийБрайанДэвидДжозефсон(1940)Джозефсон получилполовинуНобелевскойпремии«затеоретическоепредсказаниесвойствтока,проходящегочерезтуннельныйбарьер,вчастностиявлений,общеизвестныхнынеподназваниемэффектовДжозефсона».Схемыэкспериментов,объясняющихэффект Джозефсона:а— падениенапряжениянавключенном вэлектрическуюцепьсверхпроводникеравнонулю;б— призначительнойтолщинедиэлектрика,разделяющегосверхпроводники,токавцепинет,вольтметр показывает ЭДС батареи;в— прималомзазоремеждусверхпроводниками(порядка10ангстрем)существуеттоксверхпроводимости(стационарныйэффектДжозефсона);г— приналичиетокавцепиинапряжениянаконтакте Джозефсона внемвозникает электромагнитноеизлучение(нестационарныйэффект Джозефсона).ЛеоЭсаки(1925)Айвор Джайевер(1929)ВторуюполовинупремииполучилиЛеоЭсаки иАйвор Джайевер «заэкспериментальныеоткрытиятуннельныхявленийвполупроводникахи 8сверхпроводниках».Нобелевскаяпремияпофизике1985г.–заоткрытиеквантовогоэффектаХоллаВнекоторыхотношенияхоткрытиеквантовогоэффектаХолламожносравнитьсявлениемсверхпроводящеготуннелирования,предсказаннымдвумядесятилетиямираньшеБрайаномД.Джозефсоном.Обаэффектапозволяютнаблюдатьвлабораторномэкспериментеквантовомеханическое поведение,обычноограниченноесистемамиатомныхразмеров.Обаэффектапривеликсозданиюновыхабсолютныхстандартовэлектрическихвеличин– вольтауДжозефсона иомавслучаеКлаусфонКлитцинг квантовогоэффектаХолла.(1943)Зависимостихолловскогосопротивленияиудельногосопротивленияотмагнитногополяприпостояннойконцентрацииносителей.Назависимостихолловскогосопротивлениянаблюдаются «плато»Эффект Холла9Нобелевскаяпремияпофизике1986– засозданиеметодовэлектронной(Э.Руска)итуннельной(Г.Бриннинг,Г.Рорер)микроскопиивысокогоразрешенияЭ.Руска удостоенполовиныНобелевскойпремии1986г.«зафундаментальныеработыпоэлектроннойоптикеисозданиепервогоэлектронногомикроскопа».ДругаяполовинапремиибылаприсужденаГердуБиннигу иГейнриху Рореру заихвкладвсозданиесканирующеготуннелирующегомикроскопа.ДляисследованияповерхностиматериаловБриннинг иРореррешилииспользоватьодинизвариантовквантовомеханическогоэффекта,известногоподназваниемтуннельного.ЭрнстРуска(1906-1988)ГердБинниг(1947)ГенрихРорер(1933)Основнаяидеяэтогоприборасостоитвтом,чтобысканироватьповерхностьтвердоготелаввакуумеспомощьюкончикаостройиглы.Еслимеждуобразцомикончикомиглыприложенонапряжениеирасстояниедостаточномало,тоэлектронытуннелируютсострияиглынаобразец.Потокэлектроновизмеряетсякактоктуннелирования.Силатокатуннелированиязависитотрасстояниямеждуобразцомиостриемиглыивыражаетсяэкспоненциальнойфункциейрасстояния.Водяиглойпообразцуидозируяток,исследователиполучаютвозможность«нанестинакарту»расположениемикроскопических(атомныхразмеров)холмовидолинна10поверхностиобразца.Нобелевскаяпремияпохимии1996г.- заоткрытиефуллереновФуллеренС60РичардСмолли(1943-2005)РобертКёрл(1933)ГарольдКрото(1939)ВуниверситетеРайсаужесуществовалалазернаяспектрометрия,налаженнаяР.Кёрлом,ауСмолли былcозданный имприбордляопределенияспекторов излученияматериаловисоединений.Открытиефуллереновспомощьюэтогоаппаратасостоялосьвсентябре1985,исследовалимасс-спектрыпаровграфита,полученныхприлазерномоблучении(абляции)твёрдогообразца,иобнаружилипикисмаксимальнойамплитудой,соответствующиекластерам,состоящимиз60и70атомовуглерода.Онипредположили,чтоданныепикиотвечаютмолекуламС60иС70ивыдвинулигипотезу,чтомолекулаС60имеетформуусечённогоикосаэдрасимметрии.Нобелевскаяпремия«заоткрытиефуллеренов»былаприсужденаСмолли в1996,вместеР.Кёрлом иГ.Крото.Последнемупринадлежалаидея,чтовокругзвезд-гигантов11могутформироватьсямолекулы,построенныеиздлинныхуглеродныхцепей.Восемьаллотропныхмодификацийуглерода:a)Алмаз(куб);b)Графит;c)Лонсдейлит(гексагональныйалмаз);d)C60;e)C540;f)C70;g)Аморфныйуглерод;h)ОднослойнаяУНТ12Нобелевскаяпремияпохимии1998г.- заразвитиетеориифункционалаплотностииразработкувычислительныхметодовквантовойхимииКонпоказал,чтоэнергияквантовомеханической системыоднозначноопределяетсяееэлектроннойплотностью.Этувеличинувычислитьлегче,чемсложнуюволновуюфункциювуравненииШрёдингера.Контакжеразработалметод(теорияфункцийплотности),которыйдалвозможностьподбиратьуравнениятакимобразом,чтобыихрешениядавализначенияэлектронныхплотностейиэнергийсистемы.ВальтерКон(1923)Этотметод,какиметоданглийскогофизикаД.Попла,широкоприменяетсяхимикамииз-заегопростоты.Попл создалтеоретическуюмодель,вкоторойспомощьюсериивсеболеесовершенныхприближенийрешалиськвантовомеханические уравнения,описывающиеволновуюфункциювуравненииШредингера.Модельдавалавозможностьконтролироватьточностьвычислений.МетодПопла сталдоступенисследователямблагодаряразработаннойкомпьютернойпрограммеGAUSSIAN.ДжонПопл(1925-2004)13Нобелевскаяпремияпофизике1998г.– заоткрытиедробногоквантовогоэффектаХоллаРобертЛафлин(1950)ХорстШтермер(1949)Дениел Цуи(1939)Экспериментальнообнаружилиэффект,которыйсегодняможнообъяснитьлишьналичиемобъектов,несущихэлектрическийзаряд,равный1/3e (е—зарядэлектрона).ИсследователиипрофессорСтэнфордского университетаРобертБ.Лафлин,которыйсмогобъяснитьрезультатыихэкспериментов,былиудостоеныНобелевскойпремиипофизике1998года.Похоже,чтофундаментальностьодногоизкраеугольныхкамнейсовременнойфизики— величинунаименьшеговозможногоэлектрическогозаряда—приходитсяподвергатьсомнению.14Нобелевскаяпремияпофизике2000г.– засозданиеполупроводниковыхгетероструктур иразработкуполупроводниковыхинтегральныхсхемЖоресАлфёров(1930)ГербертКрёмер(1928)ДжекКилби(1923-2005)СиспользованиемразработаннойЖ.И.Алфёровымв70-хгодахXX в.технологиивысокоэффективных,радиационностойких солнечныхэлементовнаосновеAIGaAs/GaAs гетероструктур вРоссии(ивпервыевмире)былоорганизованокрупномасштабноепроизводствогетероструктурных солнечныхэлементовдлякосмическихбатарей.Однаизних,установленнаяв1986годунакосмическойстанции"Мир",проработаланаорбитевесьсрокэксплуатациибезсущественногоснижениямощности.Благодаряданномуоткрытиюсталабыстроразвиватьсямикроэлектроника, 15являющаяся– нарядусоптоэлектроникой – основойвсейсовременнойтехники.Нобелевскаяпремияпохимии2000г.- заоткрытиепроводимостивполимерахАланХигер(1936)АланМакдиармид(1927-2007)Ученыебыли озадаченырешениемпроблемысозданиянеметаллическихпроводниковэлектрическоготокананеорганическойоснове.Именносейчассамоеинтенсивноеразвитиесвязаноспереводомполимероввполупроводниковоесостояние.Этовызванонедавнимоткрытием– некоторыесопряженныеполимерыпроявляютэлектролюминесцентныесвойства–онисветятся,есличерезнихпропуститьэлектрическийток.Люминесцентныематериалымогутиметьмножествоприменений.Хидэки Ширакава(1936)16Нобелевскаяпремияпохимии2008г.- заоткрытиеиразработкуметодовиспользованиязеленогофлуоресцентногобелкаОсамуШимомура(1928)МартинЧалфи(1947)РоджерЦянь(1952)Ученыенашлиинаучилисьиспользоватьвещество,позволяющеенаблюдатьмногиетонкиеструктурыисложныепроцессыв живыхклеткахиорганизмах.В настоящеевремягенэтогобелкаиполученныхна егоосноведругихпохожихбелков,светящихсядругимицветами,используютв тысячахисследованийв качествемаркерадлявеществиклеток,а такжемаркераэкспрессииопределенныхгенов.17Пейзажс закатомв СанДиего,написанныйколониямибактерий,высаженныхнапитательнуюсредув чашкеПетри.В разныхколонияхсинтезируютсяфлуоресцентныебелкиразногоцвета,полученныенаосновезеленогофлуоресцентногобелкамедузыAequorea.Художник — НатанШейнер (NathanShaner),сотрудниклабораторииРоджераЦяня,фотограф — ПолШтейнбах (PaulSteinbach).Фотос сайтаupload.wikimedia.org18Нобелевскаяпремияпофизике2010г.– заисследованияграфенаАндрейГейм(1958)КонстантинНовосёлов(1974)Ученымудалось«продемонстрировать,чтомонослойный углеродобладаетисключительнымисвойствами,которыепроистекаютизудивительногомираквантовойфизики»,отметилипредставителиНобелевскогокомитета.Всвоейработеученыеисследовалиразличныекомбинацииобразцовграфенаиподложекизнитридабора,используясканирующиезондовые(атомныйсиловойитуннельный)ирамановскую методыспектроскопии.Идеальнаякристаллическаяструктураграфена представляетсобойгексагональнуюкристаллическую решётку.РанееученыетакжеисследовалиГрафен - эторазличныесвойстваграфена надвумернаяподложкахизнитридабора,однаковкристаллическаясвоейработеавторывпервыеобнаружилирешеткауглеродазависимостьтакихсвойствотуглатолщинойводинатом.взаимнойориентациинаправленийДанныйнаноматериалкристаллическихрешеток.считаетсячрезвычайноперспективнымдляРаботафизиковоткрываетновыеразвитиясовременнойвозможностивиспользованииграфена вэлектроники.электроннойпромышленности.19ВведениеПриставка"нано-"(отгреческого«nanos»- карлик)обозначаетоднумиллиарднуючасть(10-9)чего-либо.20ВведениеЕслиростчеловекауменьшитьдо1нм,товфутболмыигралибыотдельнымиатомами,атолщиналистабумагиоказаласьбыравной170км.В1нм 10атомовводородаили7атомовкислорода.1нм – размермолекулыфуллерена.Толщиначеловеческоговолоса100000нм.Невооруженнымглазомчеловеквидитдо10000нм.Средняя толщиналистабумаги0,1ммКарбоновая нить(напереднем плане)ичеловеческий волосСхема молекулы21фуллеренаВведение«Еслиприуменьшенииобъемакакого-либовеществапоодной,двумилитремкоординатамдоразмеровнанометрового масштабавозникаетновоекачество,илиэтокачествовозникаетвкомпозицииизтакихобъектов,тоэтиобразованияследуетотнестикнаноматериалам,атехнологииихполученияидальнейшуюработусними– кнанотехнологиям.»Ж.И.Алферов.«Микросистемная техника» №8,2003,стр.3–1322ВведениеПоданным,опубликованнымвэкспресс-бюлетене «ПерсТ»(«Перспективныетехнологии:сверхпроводники,фуллерены,наноструктуры»),соотношениегосударственныхичастныхвложенийвлидирующихстранахв2004г.выгляделоследующимобразом:23ВведениеПрогнозные оценки размерамировогорынка наноиндустрииОбъемпроизводства продукции наноиндустрии(программаразвития наноиндустрии РФ до 2015 г.)Местостран нананотехнологичном рынке(источник: Lux research)24ВведениеРазвитиенаноиндустрии вРоссийскойФедерацииот2011годаПрограммадо2015годаОбщийобъемрынкананотехнологий составилв2010году 15,7млрддолларов,однакок2015онможетвырастидо27млрддолларов(т.е.среднегодовойтемпроста(CAGR)составит11,1%вгод).Наиболеекрупныйсегментобщегорынкананотехнологий - наноматериалы (объемрынка- 10млрддолларовв2010году).ВтечениепятилетегоCAGRбудет составлять14,7%ив2014годуобъемможетдостичь19,6млрддолларов.Второйпообъемусектор,наноинструменты,превыситобъем6,8млрддолларов к2015году.В2010годуегообъемоцениваетсяв5,8млрддолларов иегоCAGRсоставит3,3%.Наиболеебыстрорастущимсегментомрынкастанетсамыйнезначительныйпообъемусекторрынка,рынокнаноустройств.Попрогнозам,данныйрыноквырастетс35,4млнв2010допочти234млндолларовв 2015году,такчтоегоCAGRсоставит45,9%.www.nanodigest.ru 25ВведениеИндексцитированиястатейпотематике«нанотехнология»26ВведениеИндексцитированиястатейпотематике«нанотехнология»с2011по2015гг.вРоссииидругихстранах27ОсновныепонятияиопределенияЖиваяприродазаканчиваетсянаграницепримерно10нм – размерсложныхмолекулбелков.Простыемолекулывдесяткиразменьше.Внаномире идутважныепроцессы–совершаютсяхимическиереакции,выстраиваетсясложнаягеометриякристаллов,структурыбелков.Нанотехнология – совокупностьметодовиприемов,обеспечивающихвозможностьконтролируемымобразомсоздаватьимодифицироватьобъекты,включающиекомпонентысразмерамименее100нм,хотябыводномизмерении,иврезультатеэтогополучившиепринципиальноновыекачества,позволяющиеосуществитьихинтеграциювполноценнофункционирующиесистемыбОльшего масштаба.Вболееширокомсмыслеэтоттерминохватываетметодыдиагностики,характерологиииисследованиятакихобъектов.28ОсновныепонятияиопределенияПеречислить всеобласти,вкоторых нанотехнология можетсущественно повлиять натехническийпрогресс, непредставляется возможным.