Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Физически основи на нанотехнологиите, получаване на наноматериали

| следващата статия ==>

Нано-електрониката се появява в процеса на естествената микроминиатюризация на елементарната база на съвременните електронни устройства и системи, където всяка стъпка се дава с голяма трудност и често диктува необходимостта от привличане на нови (понякога фундаментални) физически пътища и методи. В наноелектрониката се приема, че мащабът му е 100 nm. Тази дефиниция на планарен елемент на наноелектрониката може да се обобщи, като се има предвид всичко като нанообект (наноструктура), който има характерен размер <100 nm, поне в едно измерение (посока).

Физическата електроника в най-общия смисъл на думата е клон на физиката, който изучава феномените, свързани с движението на заредените частици и най-вече електрони (оттук и самото име „електроника“) в различни материални среди, включително физически вакуум.

Това е преди всичко вакуумна електроника , която изучава процесите, протичащи по време на движението на заредените частици във вакуум и които се основават на законите на това движение.

Това включва всички електронни оптики, електронна и йонна микроскопия, както и физиката на явленията, възникващи в различни радиотехнически устройства, като електронни тръби и устройства, използвани за генериране или усилване на електромагнитно излъчване, включително микровълновия диапазон. Последната посока сега се оформя в независима - микровълнова радиофизика (или микровълнови печки).

Второ, това са явленията на излъчване на електрони и атомни частици, най-често йони, от различни среди, главно твърди и плазмени, които представляват обширна част от физическа електроника, наречена емисионна електроника .

С появата на полупроводници, полупроводниковата електроника интензивно започва да се развива и на негова основа, електрониката в твърдо състояние. Впоследствие, полупроводниковата електроника също започна да се развива самостоятелно и сега е интердисциплинарна част от физиката. Областите на електрониката в твърдо състояние, като физиката на повърхността , тънките филми и филмовите структури - елементарната база на съвременната микроелектроника, продължават да се отнасят до полето на физическата електроника.

Исторически, една от основните секции на физическата електроника е т.нар. Газова електроника , която изучава процеси в различни газоразрядни радиотехнически устройства, като тиратрони, отводители, ценерови диоди и др. На основата на изучаването на физиката на газовия разряд е разработен основен физически сектор, като физиката на плазмата , който впоследствие се развива самостоятелно. Независимо от това, науката за плазмените медии е съществена част от физическата електроника, тъй като изследва широк спектър от проблеми, свързани с поведението на газ от заредени частици - електрони, йони и дупки, атоми и молекули, включително тези в възбудено състояние, както и кванти на радиационно поле (em. field) и неутрални частици в голямо разнообразие от материални среди: самата плазма като газообразна среда и газ носител (електрони и дупки) в твърди вещества, които се наричат ​​плазмени (или плазмени) и) среда. С развитието на лазерната физика от тази наука се появи основна част, която се занимава с изучаването на законите на поведението на газ от възбудени атоми, молекули и кванти на радиация, наречени квантова електроника .

Вакуум, газове и кондензирана материя могат да влязат в контакт един с друг. За кондензираните медии е въведена концепцията за интерфейса между тези медии или концепцията за повърхността. По традиция повърхността се разбира като област на рязко, рязко изменение на свойствата на веществото. В действителност, в близост до действителната геометрична граница на материалната среда, съществува определена област с крайна дебелина, в която нейните свойства се различават значително от свойствата на веществото в обема.

Всъщност в обема всяка частица взаимодейства само с частици от тази среда и близо до границата, от една страна, с частици от същата среда, а от друга - с частици от средата, с която граничи. Ако втората среда е вакуум, разбити атомни връзки трябва да съществуват на границата на твърдото тяло. Дебелината на граничния слой се определя от разстоянието от повърхността, от което частиците на средата престават да "усещат" влиянието на частиците отвъд неговата граница. Дебелината на такъв слой е поне от порядъка на радиуса на Дебай r D , който за твърдо тяло има порядък от 1 до 100 nm. Трябва също да се има предвид, че частиците на средата проникват в този слой - съседи поради интердифузията на неутрални атоми, йони, електрони или дупки или бомбардиране с други частици (контакт с газ или вакуум). Когато всички тези процеси се вземат под внимание, характерната дебелина на такъв слой в посока нормална към границата може да достигне размери от порядъка на няколко стотин нанометра.

Така повърхността на твърдите частици е естествен нанообект, в който се проявяват нови качествени свойства. Тези свойства могат да се променят по посока чрез използване на плазма, радиация (потоци частици) и радиация (поток от радиационни кванти) на нано-технологии на промени в посоката на свойствата на повърхността или, с други думи, модификация на повърхностните свойства.

Тъй като в кондензираните среди поведението на частиците, които ги образуват - атоми, йони, електрони и дупки - се подчиняват на законите на квантовата механика, т.е. описани от техните вълнови функции, те проявяват нови свойства, дължащи се на квантово- мерните ефекти - зависимостта на свойствата на наносистемата от съотношението на характерните му размери и характерните размери на корелационната област на различни физични взаимодействия и явления, протичащи в системата на частиците. В тази връзка повърхността може да се счита за най-разпространената естествена наносистема с филмов тип.

Следващата стъпка в модифицирането на повърхностните свойства е отлагането върху неговата повърхност на тънки филми или слоести филмови структури, чиято дебелина може да бъде от микрони до фракции от микрони, т.е. може да отговаря на условието d < 100 nm. Такива филмови структури служат като основа за изграждане на елементарна база на съвременните микро и в границата d < 100 nm, наноелектроника.

Това са двумерни наноструктури и интеграцията на елементите става в тяхната равнина. Тънките филми могат също да изпълняват функционални задачи на втвърдяване на повърхността, промяна на неговата омокряемост, коефициент на триене и т.н. Ново качество може да бъде постигнато чрез депозиране на атоми върху повърхността на твърдо вещество от тези елементи, които могат да образуват различни вещества, които се различават по своята структура и свойства, т.е. , различни алотропни модификации. Примерът Х е въглерод, който може да съществува под формата на четири алотропни форми, различаващи се по вида на хибридизация: sp 3 и sp 2 - тези типове съответстват на стабилни модификации на диамант и графит, както и sp 1 и sp °, които съответстват на метастабилни модификации на линейно-верижен въглерод (LCC), и лицево-центриран (FCC) въглерод . В този случай методът за контролирано отлагане на въглеродни атоми в момента е практически единственият метод за синтез на последните две форми на въглерода.

Експерименталното съоръжение за производство на въглеродни филми е вакуумна система, която осигурява импулсно отлагане на въглерод от плазмени снопчета, образувани от вакуумна дъга с йонна плътност 10 13 ... 10 14 cm 3 и степен на йонизация 95%. Честотата на импулсите варира в рамките на 1 ... 30 Hz, продължителността на импулса е 100 μs.

Ионният лъч се формира от източник на йони с ниско налягане. Енергията на Ar + йони, облъчващи повърхността на растящия филм, варира от 0 до 300 eV и зависи както от извличащото напрежение, така и от параметрите на въглеродната плазма. В описаните по-долу експерименти тази енергия е равна на 150 eV. Като субстратни материали бяха използвани NaCl (за електронно-микроскопски изследвания), Si (за електронна спектроскопия), както и стомана, полимери, керамика и др. Работно налягане в камерата - 10 4 Pa.

Фиг. 8.1 Схема на метода за производство на въглеродни филми: 1 - субстрат; 2 - въглероден поток; 3 - аргонен йонен ток; 4 - графитна мишена.

Нано-обектите могат да съществуват под формата на частици с подходящ размер (наночастици), както и на нанокомпозити, образувани от ансамбъл от такива частици. Разнообразието от възможни видове наночастици е много голямо.

Един от основните физически признаци на принадлежност към наномира е равенството или излишъка на повърхностната енергия на наночастица в сравнение с нейната обемна енергия. Следователно, отличителна черта на наночастиците е тяхната активност, дължаща се на наличието на висящи връзки на повърхността им. Обикновено това са триизмерни обекти (3D).

Естествено, правото на съществуване има едномерни (ID) и нулемерни системи (0D). Първите са така наречените квантови нишки (квантови проводници), които се образуват при силна анизотропия на свойствата на веществото чрез силно проявление на квантово-размерни ефекти и с диаметър <100 nm (важен пример за квантова нишка са полупроводниковите нанотръби ). Накрая, един екситон може да послужи като типичен пример за нулеворазмерна система или квантова точка .

Наносистемите могат да бъдат организирани по естествен начин - повърхностни, карабинови нанокластери, нанотръби и т.н. - или модифицирани чрез контролиран растеж (тънки филми и филмови наноструктури) чрез отлагане на частици от желаното свойство на повърхността. Такива частици могат да се отлагат от плазмата или от други източници на лъчи на атоми, йони, молекули и важен елемент от тази технология е предварителната подготовка на повърхността, така че да стимулира растежа на необходимата структура на отлагания филм. Това, например, контролира процеса на епитаксиален растеж, при който междуатомните разстояния на отглеждания филм повтарят геометрията на центровете на нуклеация, създадени на повърхността. За да се осъществи такъв процес, е необходимо да се познават подробно физиката на взаимодействието на йони и електрони с повърхността на твърдо вещество.

Описаният процес на йонно стимулиран епитаксиален растеж на филми върху командната повърхност е важен пример за самосглобяване, което е присъща характеристика на нанотехнологията.

В момента се извършва обширен цикъл от изследвания на процесите на взаимодействие между лъчи на заредени частици (електрони и йони в широк диапазон на техните енергии) с повърхността на твърдите вещества:

· Пръскане на повърхностния материал;

· Вторичен йон-йон;

· Йон-електрон;

· Електронно-йонна емисия;

· Въвеждане на частици лъч в повърхността;

· Отлагане на частици от лъча върху повърхността;

· Промяна на фазовия състав на повърхността;

· Активиране на повърхността и др.

Всички тези процеси се реализират и когато плазмено-разрядната плазма контактува с повърхността и се използват по един или друг начин в различни технологични цикли, като ецване, имплантиране, интеркалиране, отлагане на филмови структури, литография и други технологични цикли на съвременните микро- и с преход към характерни размери. <100 nm, наноелектроника.

Установено е, че нееластичните процеси играят важна роля при взаимодействието на ниско енергийни йони с повърхността на твърдите вещества. Разкрит е основният механизъм на такова взаимодействие, а именно обмен на резонансни заряди. Този процес е в основата на повечето нанотехнологични свойства за модификация на повърхността.

Сред процесите, придружени от (причинени) върху повърхността на твърдите частици от лъчи на заредени частици: електрони и, на първо място, йони за разбиране на основната посока на развитие на изследванията са процесите на електронно и йонно стимулиране на насочен растеж (разпрашаване, отлагане) на различни въглеродни метастабилни фази. и, на първо място, двуизмерно нареден въглерод с линейна верига (DM LCC).

Сега е добре известно, че метастабилната алотропна фаза на въглерода, така нареченият линейно-верижен въглерод, отдавна е изследвана в природата и в лабораториите на света. За първи път е открит в Русия през 1960 г. от учени от Института за органо-елементови съединения Сладков А.М. и Кудрявцев Ю.П. След продължително отгряване във вакуум при температура от 1000 ° С в продукт, съдържащ 99.9% въглерод, се открива присъствието на кристална фаза със среден размер на кристалите от около 100 nm. Този материал открива наличието на линейни вериги от въглеродни атоми и се нарича карбин. Полученият резултат отдавна се поставя под съмнение сред химиците, тъй като линейната верига на въглеродните атоми е нестабилна до 6 ... 8 атома, след което тя трябва да бъде затворена за близките вериги с образуването на графитни връзки - кръстосани връзки на вериги.

Използвайки физични методи за анализиране на електронната структура на карабина ( Auger спектроскопия ), беше доказано, че това е доста дълъг сегмент от линейни въглеродни вериги (LCC), стабилизиран в областта на развитието на нестабилност на омрежването чрез верижни завои или от наличието на външен атом. Тази структура обаче се характеризира с наличието на горните връзки. Този материал може да бъде синтезиран под формата на нишки (влакна), вълна, филц, прах.

През 1992 година синтезира се кристален филм, образуван от вериги от въглеродни атоми, ориентирани нормално към субстрата, така нареченият двумерно подреден въглерод (DM LCC).

RULC е гъсто опакована хексагонална решетка от линейни въглеродни вериги, които се стабилизират чрез редуващи се произволно ориентирани завои, които образуват слоеве на разстояние от 2 до 8 въглеродни атома (самостоятелно сглобяване). Технологията дава възможност за отглеждане на непрекъснати филми, които нямат островна структура и изцяло покриват субстрата, като повтарят първоначалната си топография, започвайки с дебелини на “5 A. В същото време, според атомно-силовата микроскопия, филмът има атомно-гладка повърхност.

Важна характеристика на структурата за дистанционно управление на LCC е неговата силна анизотропия, от която следва анизотропията на нейните физикохимични свойства. При разчупването на веригите на LCC, те имат много висока механична якост (по-висока от тази на нанотръби), в обратна посока филмът е много еластичен и позволява разстояние повече от 3 пъти, без прекъсване. Наличието на висящи връзки в краищата на веригите води до неговата необичайно силна адхезия към субстрата, която се оказва по-висока от нейната обемна сила. Това позволява да се намали коефициентът на триене чрез покриване на триещите се повърхности с филми на дистанционното управление.

Анизотропни и електрофизични свойства на филма, чиято проводимост по вериги и в напречна посока се различава с шест порядъка. По веригата движението на електроните е балистично, т.е. подобно на движението на електрони във вакуум; в напречна посока, филмът проявява свойствата на диелектрик, а проводимостта е подскачаща. Това отваря фундаментално нови възможности в създаването на наноелектронни системи.

Поради слабото свързване на LCC веригите, разположени на значително разстояние един от друг, филмите на дистанционното управление на LCC са прозрачни за електронните лъчи, освен това, те колимират и усилват електронните лъчи (поради взаимодействие с плазмони).

Материалите, съдържащи линейно-верижен въглерод, благодарение на уникалните физикохимични свойства, посочени по-горе, са широко използвани в различни области на практическо приложение от наноелектрониката в медицината.

| следващата статия ==>





Вижте също:

Физически характеристики на прехода от микро към наноустройства

Концепциите на класическата и квантовата системи

Принципи на изграждане на биосензори

Принципи на конструиране и особености на функционирането на измервателни уреди, базирани на използването на свързани колебания в системи с две степени на свобода

Квантово-механично обяснение на явлението свръхпроводимост

Режими на работа на сканиращи пробни микроскопи

Въглеродни нанотръби

Изкуствени невронни мрежи (INS)

Ефект на повърхностния плазмен резонанс

Принципи на изграждане на сензорни самоорганизиращи се системи

Обща физиология на сензорните системи

Ядрен гама-резонанс

Връщане към съдържанието: Съвременни фундаментални и приложни изследвания в приборостроенето

2019 @ ailback.ru