Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 38
Текст из файла (страница 38)
– London: Imperial College Press. – P. 281-328.182РАЗДЕЛ 9ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ТЕХНИКЕ9.1. Нанокристаллические покрытия в промышленностиК настоящему времени практически реализовано лишь несколькотипов наноматериалов – наноструктурная никелевая фольга, магнитомягкий сплав «Файнмет», многослойные полупроводниковые гетероструктуры, сверхтвердые нитридные пленки и др. [1 – 3].
Наибольшее практическое распространение в промышленности получили покрытия для повышения работоспособности режущего инструмента, износостойкости узловдеталей машин [4 – 16]. В табл. 9.1 приведены некоторые результаты применения нанокристаллических покрытий применительно к режущему инструменту в сравнении со стандартными монофазными TiN покрытиями.Таблица 9.1Применение нанокристаллических покрытийв инструментальном производстве№Покрытия123n-TiNx/CrNxn-TiNx/CrNxn-TiNx/CrNx4ncTiN/aSi3N456Ti1-xAlxN,n-Ti хAl 1-хNОбрабатываемыйматериалХН70МВЮВДХН70МВЮВДЭИ437 БМраморизованныйизвестняк12Х1338ХН3МФАВК8ВК8ВК8Коэффициентповышениястойкости7,03,53,0получистовоепо коркеполучистовоеР6М52,0...3,0сверлениеТ15К6ВК83,0...4,0получистовоеполучистовоеИнструментВидобработкиВ качестве иллюстрации на рис 9.1 приведены результаты влияниесодержания алюминия в покрытии TiAlN на механические и триботехнические свойства.183Рис.
9.1. Механические и триботехническиесвойства покрытия TiAlN [12]Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основекубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al, N), обладающие очень высокойили сверхвысокой (до 70 ГПа) твердостью, хорошо зарекомендовали себяпри трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа. О разработке сверхтвердых нитридных пленок с наноструктурой сообщается также в [2, 13, 17], отмечаются хорошие триботехническиесвойства пленок с аморфной наноструктурой и наноструктурой из углерода и нитрида углерода [14], а также из TiC, TiN и TiCN [15].
В качествесамосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаютсямногофазные наноструктурные покрытия на основе TiB2-MoS2 c твердостью 20 ГПа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05 [8]. Длявосстановления трущихся поверхностей деталей машин к моторным маслам добавляют металлические нанопорошки [16].В работах [18 – 20] рассмотрены возможности использования наноструктурных покрытий в навигационно-приборных комплексах, широкополосных системах электромагнитной защиты, а также при создании высокотемпературных топливных элементов и пр. Оценка работоспособности наноструктурных покрытий системы Ti-Si-C, нанесенных на лопаткикомпрессора ГТД (многократный нагрев и последующее охлаждения навоздухе), свидетельствует, что наноструктурные покрытия обеспечиваютболее высокую термостойкость в сравнении с многослойными покрытиями.9.2.
Применение наноструктур для создания элементовприборных устройствПереход к новым методам производства, особенно переход к созданию изделий «снизу вверх» с помощью поатомной или помолекулярной сборке, возможен в течение ближайших десятилетий. Однако вданном случае речь идет о ближайшей перспективе использования техили иных наноматериалов или наноструктур. Для развития электроникивыделяются три основных направления: конструкционное (улучшениепрочностных характеристик несущих конструкций, корпусных и др.элементов), функциональное (улучшение используемых и применениеновых свойств силами нанотехнологий) и комбинированное. Уже сейчаснаноразмерные покрытия и наночастицы используются для увеличенияпрочностных характеристик материалов в разы и на порядки; известныфильтрационные, каталитические, абсорбционные свойства нанопористых материалов. Наночастицы (Co, Ni), нанокристаллические металлические нитридные пленки (ZrN, AlN), сверхрешетки типа Nb/Fe, Nb/Ge;ультрадисперсные порошки обладают уникальными магнитными свойст184вами.
А также проволочные нанокомпозиты (типа Cu-Nb), проводящиенаноструктурные пленки TiN, TiB2, наночастицы металлов в полимерах,использование нанотрубок позволяют улучшать одновременно характеристики электропроводности и прочности. Термоэлектрические наноматериалы (сверхрешетки на основе квантовых точек PbSeTe, квантовыхпроволок SiGe и квантовых стенок PbTe/Pb1-xEuxTe) благодаря высокимпараметрам добротности считаются перспективными для систем преобразования солнечной энергии и криотехники.
Материалы с высокой диэлектрический проницаемостью применяются в качестве многослойныхконденсаторов, термисторов, варисторов, элементов памяти, чувствительных датчиков и др. Наноструктуры металл-диэлектрик-полупроводникявляются основными базовыми элементами ИС. Переход к нанополупроводникам сопровождается сдвигом спектров люминесценции в коротковолновую область, увеличением ширины запрещенной зоны, что находит важные технические приложения.
Монокристаллические частицы вполимерных матрицах рассматриваются как возможные светодиоды и оптические переключатели, а также сенсоры. Применение гетероструктур сквантовыми ямами и сверхрешетками типа AlGaAs/GaAs в полупроводниковых лазерах позволяет снизить пороговые токи и использоватьболее короткие волны излучения, что повышает быстродействие, снижаетэнергопотребление оптоволоконных систем. Нанопроводники и особенно нанотрубки являются самыми перспективными для создания эмиттеров, транзисторов и переключателей нового поколения [21 – 24]. Наконец,наноэлектромеханические системы позволят связать макро- и наномирысо всей совокупностью электронных устройств. Сфера примененияНЭМС – суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, преобразователи,датчики, вентили, клапаны, конденсаторы, резонаторы, генераторы идр. Сообщается, что измерение перемещений на уровне тысячных долейнанометра возможно с помощью НЭМС на основе датчика из GaAs(3000×250×200 нм) в совокупности с одноэлектронным транзистором [25].Как известно, любые интегральные схемы фактически являются высокоорганизованными композитными структурами, и поэтомув начале технических разработок в области микроэлектроники наиболееподходящими материалами для их реализации были сочтены монокристаллы.
Однако со временем оказалось, что жесткий внутренний порядоккристалла вносит серьезные ограничения в технологические процессыформирования интегральных микросхем. Естественной реакцией на этообстоятельство был переход к планарным технологиям, широкому использованию пленочных структур и т.п. материалов, то есть фактическийотказ от объемных (трехмерных) систем. В результате, технологическойосновой современной твердотельной электроники стали планарные (2D)технологии.
При этом для дальнейшего увеличения плотности элементов185необходимо переходить либо к трехмерным (3D) наносистемам, либо кмолекулярной электронике.Физико-химические методы, основанные на принципах самоорганизации наноприборов, позволяют довести объемную плотность элементов в 3D-системах до 1×1014 – 5×1014 см–3 (при поперечных размерахэлементов от десятков до сотен нм). Такие композиты, кроме всего прочего, работают при плотностях тока на 3 – 4 порядка ниже, чем в планарныхсистемах. И хотя за счет использования различных видов литографии иускорительной техники в последнее время удалось добиться выдающихсярезультатов по уменьшению размеров полупроводниковых элементов, внастоящем, планарные технологии приблизились достаточно близко ксвоим физическим границам, а, следовательно, становится неизбежнымпереход к трехмерным наносистемам (наноэлектроника).Уже сейчас можно прогнозировать, что применение наноструктурных материалов в таких областях техники, как оптоэлектроника, системыпередачи и управления световыми потоками, в частности, в оптоволоконных системах связи, позволит создать элементную базу нового поколения.
Это высокоскоростные системы передачи информации, низкопороговые лазеры и усилители, интегральная и ближнепольная оптика, и самоеглавное, оптические компьютеры, а также системы записи, обработки иотображения информации оптическими методами.9.3. Области применения микро- и наноразмерных структур,созданных с помощью сфокусированныхпучков заряженных частицНаноштамповка. Для массового производства низкоразмерныхструктур, расположенных на большой площади с высокой плотностью,наиболее распространенными являются процессы, использующие проекционную световую, рентгеновскую либо электронную или ионную литографию. Однако увеличивающиеся технические сложности и предполагаемый значительный рост стоимости изготовления структур с характерными размерами меньше 100 нм предопределяет поиск альтернативныхрешений.
Поэтому литографические методы с применением сфокусированных пучков заряженных частиц в комбинации с наноштамповкой могут быть в некоторых случаях более предпочтительными [29, 30].На рис. 9.2 приведена последовательность процесса производства 3DNi штампов с использованием технологий PWB и гальванического покрытия никелем. Здесь кремниевая подложка Si (100) сначала покрываетсяслоями Cr (20 мкм) и Au (200 мкм) для лучшей адгезии и электропроводности, а затем с помощью центрифуги наносится слой резистивного материала РММА, который подвергается облучению сфокусированным пуч186ком протонов с энергией 2 МэВ (рис. 9.2а). Далее наносится второй металлизированный слой на верхнюю поверхность, который играет роль основания штампа и обеспечивает условия проводимости при гальваническом покрытии (рис. 9.2б).
В результате обработки проявителем образуется трехмерная структура (рис. 9.2в), затем с помощью гальваническогопроцесса наносится никелевое покрытие (рис. 9.2г). Окончательно производится отслаивание штампа от шаблона (рис. 9.2д) и наноштамповка(рис. 9.2е). На рис. 9.3 показан отпечаток Ni штампа в слое РММА толщиною 8 мкм, нанесенного с помощью центрифуги на Si подложку, где отчетливо видны репродуцированные каналы шириной 100 нм и глубиной2 мкм с гладкими вертикальными стенками. Такие штампы могут бытьиспользованы до пятнадцати раз без существенного ухудшения качестварепродукции.Рис.
9.2. Схематическое представление процесса изготовленияштампа с использованием технологии PWB [27]Рис. 9.3. Отпечаток Ni штампа в 8 мкм слое резистивного материала РММА.Вставка слева: вид отпечатка с меньшим увеличением [27]Биомедицинские приложеня. Созданные с помощью технологииPBW узкие каналы, ширина которых составляет десятки нанометров, авысота может в несколько десятков раз превышать ширину, дают возмож187ность проводить исследования биомолекул. На рис. 9.4 представлен прототип биосенсорной структуры, представляющий собой встречногребенчатые электроды с зазором ~85 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
