3 ПРАКТИЧЕСКИЕ занятия
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 3 уровня УМКД Учебно-методические материалы по дисциплине «Основы нанотехнологий» УМКД Редакция №___ от «__» _______ 20___ г. УМКД 042-14-105.01.20.114/03-2015 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ» для специальности 6М072300 – «Техническая физика» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2015 УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 2 из 16 Содержание 1 ГЛОССАРИЙ .......................................................................................................................................................... 3 2 ЛЕКЦИИ .................................................................................................................................................................. 4 Лекция 1 ...................................................................................................................................................................... 4 Лекция 2 ...................................................................................................................................................................... 7 Лекция 3 ...................................................................................................................................................................... 9 Лекция 4 .................................................................................................................................................................... 11 Лекция 5 .................................................................................................................................................................... 13 Лекция 6 .................................................................................................................................................................... 15 Лекция 7 .................................................................................................................................................................... 17 Лекция 8 .................................................................................................................................................................... 20 Лекция 9 .................................................................................................................................................................... 23 Лекция 10 .................................................................................................................................................................. 25 Лекция 11 .................................................................................................................................................................. 27 3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ........................................................................................................................... 30 Практическое занятие 1. Химическое осаждение из газовой среды. ............................................................. 30 Практическое занятие 2. Методы, использующие сканирующие зонды. ..................................................... 30 Практическое занятие 3. Атомная инженерия. ................................................................................................. 30 Практическое занятие 4. Методы формирования наноразмерных изображений. ...................................... 30 Практическое занятие 5. Формирование наноструктурированных материалов. ....................................... 31 4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА МАГИСТРАНТА .................................................................................... 32 УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 3 из 16 1 ГЛОССАРИЙ В настоящем УМК использованы термины с соответствующими определениями: Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. ДНК-нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Газофазная эпитаксия – получение эпитаксиальных слоев Полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. Аэрогели (от лат. aer – воздух и gelatus – замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации. Нанокристалл или кристалл (от греч. κρύσταλλος, изначально – лёд, в дальнейшем – горный хрусталь, кристалл) – объект нанотехнологий на микроуровне. Наночастицы, нанопорошки – объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм. Фуллерены, бакиболы или букиболы – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие – алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM – atomic-force microscope) – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 4 из 16 2 ЛЕКЦИИ Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Лекция 1 Тема. Введение. Тенденции развития нанотехнологий. Вопросы 1 Предмет изучения нанотехнологий. 2 Новейшие достижения. Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. В силу того, что нанотехнология – междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из основных методов исследования в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов). Наномедицина и химическая промышленность Направление в современной медицине основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне. ДНК-нанотехнологии — используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды). Проблема образования агломератов УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 5 из 16 Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Наночастицы Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв. Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Вопросы для самоконтроля 1 Что изучает дисциплина «Основы нанотехнологий»? 2 Что такое наночастица? 3 На какие классы делятся нанообъекты, перечислите их? Страница 6 из 16 УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 7 из 16 Лекция 2 Тема. Химическое осаждение из газовой среды. Вопросы 1 Осаждение атомных слоев. 2 Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы. 3 Химическое осаждение из паров металлорганических соединений. Химическое осаждение из газовой фазы Существует множество разновидностей этого метода, отличающихся способом инициации химических реакций и условиями процесса (давление, способ транспортировки паров в область подложки и т.д.). Как правило, в качестве прекурсоров используются соединения, имеющее достаточно высокое давление паров при невысоких температурах (100 - 400оС; хлориды металлов, металлоорганические комплексные соединения). Необходимым условием получения высококачественных пленок этим методом является высокая точность контроля скорости газовых потоков и интенсивности испарения прекурсоров. Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет получать покрытия различной структуры (монокристаллические, эпитаксиальные, аморфные, поликристаллические) на поверхностях сложной формы, в том числе с высокой степенью кривизны. Метод химического осаждения из газовой фазы в условиях объемной конденсации весьма эффективен при получении слабоагрегированных нанопорошков различных соединений. Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы Технология плазмохимического осаждения использует газоразрядную плазму для разложения реакционного газа на активные радикалы. Применение различных приемов возбуждения плазмы в реакционном объеме и управление ее параметрами позволяет интенсифицировать процессы роста покрытий, проводить осаждение аморфных и поликристаллических пленок при значительно более низких температурах подложки, делает более управляемыми процессы формирования заданного микрорельефа, структуры, примесного состава и других характеристик покрытия по сравнению с аналогичныхи процессами при химическом осаждении из газовой фазы (CVD), основанном на термическом разложении реакционного газа. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 8 из 16 Рисунок 1 – Пример применения ПХО: Массив углеродных нанотрубок, выращенных на металлических катализаторах. УНТ были получены из плазмы, содержащей ацетилен и аммиак в соотношении 1:3, при температуре 750 °С и при пониженном давлении. Изменение технологических режимов модуля плазменного осаждения из газовой фазы позволяет получать нанотрубки различной длины и диаметра. Вопросы для самоконтроля 1 Опишите химическое осаждение из газовой фазы. 2 Какова цель метода химического осаждения из газовой фазы? 3 Опишите плазменно-химическое осаждение из газовой фазы. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 9 из 16 Лекция 3 Тема. Молекулярно – лучевая эпитаксия. Вопросы 1 Эпитаксия газофазная. 2 Хлоридный метод. 3 Силановый метод. 4 Легирование. Газофа́зная эпитаксия – получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем. Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750 - 1200 °C (в зависимости от способа осаждения, скорости процесса и давленив реакторе). Разогрев подложек осуществляется инфракрасным излучением, индукционным или резистивным способом. Понижение температуры процесса ниже предельной для данных конкретных условий осаждения ведет к формированию поликристаллического слоя. С другой стороны, оно дает возможность снизить ширину диффузионной переходной области между эпитаксиальным слоем и подложкой, наличие которой ухудшает характеристики получаемых приборов. Существуют два основных способа получения эпитаксиальных слоев кремния методом газофазной эпитаксии: – водородное восстановление тетрахлорида кремния (SiCl4), трихлорсилана (SiHCl3) или дихлорсилана (SiH2Cl2); – пиролитическое разложение моносилана. Хлоридный метод При использовании в качестве источника тетрахлорида кремния суммарная реакция может быть записана в виде: SiCl4+2H2(сухой)=Si+4HCl Реакция обратимая, и при повышении температуры и/или концентрации хлорида начинает идти в обратную сторону. Реакции восстановления трихлорсилана и дихлорсилана являются промежуточными в реакции водородного восстановления тетрахлорида кремния. Поэтому их применение в качестве источников кремния позволяет повысить технико- УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 10 из 16 экономические показатели процесса. В то же время при выборе источника учитывают специфику применяемых веществ. Трихлорсилан и тетрахлорид кремния при комнатной температуре являются жидкими, а дихлорсилан газообразным. Тетрахлорид кремния является менее опасным при хранении и транспортировке, поэтому трихлорсилан обычно используют при наличии его собственного производства. В целом процесс водородного восстановления тетрахлорида кремния может быть описан следующей системой реакций: SiCl4 + H2 <--> SiHCl3 + HCl; SiHCl3 + H2 <--> SiH2Cl2 + HCl; SiH2Cl2 <--> SiCl2 + H2; SiHCl3 <--> SiCl2 + HCl; SiCl2 + H2 <--> Si + 2HCl Скорость роста слоя – 0,1-2,0 мкм/мин в зависимости от источника кремния, температуры и давления. Она пропорциональна концентрации кремнийсодержащего компонента в парогазовой фазе. Ограничения метода: невозможно наращивать эпитаксиальную плёнку на сапфировых подложках, поскольку хлористый водород при этих условиях травит сапфир. Газообразные примеси Газообразные примеси в большинстве случаев позволяют строить более простую установку, однако нестабильны при хранении и высокотоксичны (фосфин, диборан, арсин) Наиболее часто в этом качестве используется арсин AsH3. Жидкие примеси Жидкие легирующие примеси заливают в отдельный термостатированный дозатор барботажного типа (если примесь плохо испаряется) или испарительного типа (если хорошо испаряется), в который подают газ-носитель H2. Однако в этом случае труднее регулировать концентрацию примеси в эпитаксиальном слое. Твёрдые примеси Твёрдые легирующие примеси распыляются искровым разрядом и далее транспортируются в реакционную камеру водородом, либо испаряются в низкотемпературной зоне печи (для данного метода строятся двухзонные печи). Вопросы для самоконтроля 1 Какие примеси вы знаете? 2 Какие методы вы знаете? Перечислите их. 3 Основные методы легирования. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 11 из 16 Лекция 4 Тема. Методы, использующие сканирующие зонды. Вопросы 1 Принцип работы СЗМ. 2 Электрохимическое травление. Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM – Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной СЗМ особенностью является наличие: – зонда, – системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, – регистрирующей системы. Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Основные типы сканирующих зондовых микроскопов: – сканирующий атомно-силовой микроскоп; – сканирующий туннельный микроскоп; – ближнепольный оптический микроскоп. Принцип работы УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 12 из 16 Рисунок 1 – Схема работы атомно-силового микроскопа. Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа: – конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами. – обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема. – детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра. – создание прецизионной системы развёртки. – обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью. Вопросы для самоконтроля 1 Какие микроскопы вы знаете? 2 Какие вы знаете сложности при создании сканирующего зондового микроскопа? 3 Принцип работы СЗМ. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 13 из 16 Лекция 5 Тема. Сканирующая туннельная микроскопия. Вопросы 1 Сканирующие зондовые микроскопы. 2 Сканирующий туннельный микроскоп. 3 Сканирующий атомно-силовой микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером из лаборатории IBM в Цюрихе в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. В СССР первые работы по этой тематике была сделаны в 1985 году в Институте Физических проблем АН СССР. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM – scanning tunneling microscope) – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образецигла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 Å. Сканирующий туннельный микроскоп первый из класса сканирующих зондовых микроскопов, атомно-силовой и сканирующий ближнепольный оптический были разработаны позднее. В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности. Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы: – зонд (иглу), – систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, – регистрирующую систему. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 14 из 16 Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/см²), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением. Рисунок 1 – Схема работы сканирующего туннельного микроскопа. Вопросы для самоконтроля 1 Какие микроскопы вы знаете? 2 Как устроен сканирующий туннельный микроскоп? 3 Принцип работы СТМ. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 15 из 16 Лекция 6 Тема. Атомная инженерия. Вопросы 1 История развития атомной инженерии. 2 Тенденции и развитие. В конце тысячелетия, когда общество все дальше продвигается по пути техногенного развития, развиваются уже существующие и зарождаются новые производственные отрасли, когда «высокие технологии» вошли практически в каждый современный дом, и многие люди не могут представить жизни без них, мы более отчетливо видим, неограниченность человеческих потребностей. Чем больше человечество создает, тем большем оно потребляет. В том числе такого важного ресурса, как энергии. Человечество с древних времен искало новые источники энергии. К середине XX столетия были освоены почти все ее природные источник, причем использование их в промышленных масштабах привело к значительному загрязнению отходами производства окружающей среды, особенно в крупных, промышленно развитых городах. Овладение же ядерной энергией – величайшее, ни с чем не соизмеримое достижение науки и техники XX в. Высвобождение внутриядерной энергии атома, проникновение в природные кладовые тайн вещества, атома превосходит все, что когда-либо ранее удавалось сделать людям. Новый источник энергии огромной мощности сулил богатейшие неоценимые возможности. Для открытия такого вида энергии, как внутриядерная энергия атома, понадобились долгие годы упорной и самоотверженной работы ученых многих поколений и разных стран. Высвобождение внутриядерной энергии атома потребовало такого уровня развития науки, такого научнотехнического оборудования, таких аппаратуры, химических материалов, такой высокой культуры и техники производства, которые смогли сложиться в мире только к середине XX столетия. Однако человечество должно было пройти долгий путь поисков, преодолеть множество препятствий, отвергнуть прежние представления о природе вещей. Итак, к концу XX века человечество в полной мере освоило использование запасов энергии атомных ядер урана-235. Этого вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана, хватит лишь на 50-60 лет. Безусловно существует возможность использования, в целях получения энергии, природного газа, угля и нефти. Но такой путь развития энергетики УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 16 из 16 неприемлем. Причин множество: это и экологическая проблема – заражение окружающей среды токсичными химическими продуктами сгорания органического топлива, создание парникового эффекта, и постоянной возрастающей ценой на органическое топливо. В случае с нефтью и газом, можно сказать, что их использование в качестве источника энергии по меньшей мере неразумно. Здесь возникает проблема: из какого материала и какими методами, в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня существует несколько основных концепций решения проблемы: 1. Расширение сети станций на урановом топливе. 2. Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран. 3. Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, которое могло бы обеспечить воспроизводство ядерного топлива более, чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность, в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности, по причине чего имеет низкую перспективу на внедрение. 4. Освоение термоядерных реакций. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива. В настоящее время наиболее разумным представляется следующая схема развития энергетики: расширение сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией. Вопросы для самоконтроля 1 Как развивалась атомная инженерия в послевоенные годы? 2 Какая схема развития энергетики представляется на сегодняшний день? УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 17 из 16 Лекция 7 Тема. Зондовые методы формирования наноструктур. Вопросы 1 Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности. 2 Сканирующие зондовые микроскопы В современной науке сформировалась новая область – нанотехнология, представляющая собой междисциплинарное направление, простирающееся от молекулярной биологии и генной инженерии до физики поверхности твердого тела, электрохимии и микроэлектроники. Получены уникальные результаты по изучению структуры поверхностей, строения кластеров, природы каталитических центров, строения вирусов, полимеров, отдельных молекул. Нанотехнология открывает качественно новый уровень изучения различных свойств поверхности материалов. Существует возможность не только исследовать поверхность, но и производить прецизионное воздействие: перемещать слабо связанные с поверхностью наноструктуры, производить нанолитографию), кроме того, возможно и физическое воздействие на поверхность (рисунок 1). Рисунок 1 – Изображение поверхности глазной линзы. Жидкостная ячейка, контактная мода. Линза была высушена, а затем вновь помещена в водный раствор, в результате чего на поверхности линзы появились трещины. Изображения получены на приборе СОЛВЕР-Р4, оснащенном специализированной жидкостной ячейкой для контроля глазных линз. Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов (1981-1986 гг.). К настоящему времени сменилось уже два поколения сканирующих зондовых микроскопов. К первому поколению относятся сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Они были изобретены в 1981 году как сверхвысоковакуумные приборы, на которых впервые было получено УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 18 из 16 атомарное разрешение при исследовании поверхности кристаллических образцов. Также были созданы и получили распространение жидкостные, воздушные, вакуумные и сверхвысоковакуумные варианты приборов. Принцип работы СТМ - это регистрация туннельного тока между проводящим образцом и микроиглой. Микроигла формирует туннельный ток, локализованный на малой площади. Например, если микрозонд удален на фиксированное расстояние от поверхности, то высота физического рельефа в исследуемой точке определит величину туннельного тока. Контролируя при сканировании фиксированную величину туннельного тока за счет вертикального перемещения микрозонда, определяют микрорельеф поверхности. Применение СТМ ограничивается проводящими поверхностями, и исследования, в основном, имеют чисто научное значение. Кроме того, интерпретация СТМ-данных не однозначна - ток зависит не только от расстояния, но и плотности электронных состояний, энергии связи электронов, присутствия адсорбционных слоев. В 1986 году были изобретены атомно-силовые микроскопы (АСМ) названные так, поскольку с их помощью регистрировались силы межатомного взаимодействия, так называемой силы ближнего поля. Они были построенные подобно патефону. Острая игла на пружинке скользит вдоль поверхности и отклонение пружинки при этом измеряется. Первоначально пружинки изготавливались из тонкой платиновой фольги, и к ним приклеивалась острая маленькая иголочка - кантилевер, выбранная, например, из разбитого монокристалла сапфира. Одно из основных требований к кантилеверу - его острие должно быть предельно острым: заканчиваться единичными атомами (рисунок 2). Промышленная технология производства таких кантилеверов была создана в 1990 году, после чего и начало развиваться второе поколение зондовых микроскопов. Рисунок 2 – Электронно-микроскопические снимки кремниевых кантилеверов. Видно, что радиус кривизны кантилевера около 1 нм. Атомное разрешение, полученное на снимке, доказывает, что острие остается УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 19 из 16 кристаллическим в процессе травления и на самом кончике может быть практически не окисленным. Вопросы для самоконтроля 1 Тенденции и развитие микроскопов? 2 Область применения СТМ. 3 В каком году был изобретен АСМ? Принцип работы. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 20 из 16 Лекция 8 Тема. Методы формирования наноразмерных изображений. Вопросы 1 Электросиловой метод. 2 Сканирующий туннельный метод. 3 Метод Кельвина. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1-10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитносилового и электросилового микроскопов. Рассмотрим общие черты, присущие различным зондовым микроскопам. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от расстояния зонд-образец Р=Р(z), то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. На рис. 1 схематично показан общий принцип организации обратной связи сканирующего зондового микроскопа. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 21 из 16 Рисунок – 1 Схема организации системы обратной связи зондового микроскопа. Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р0, задаваемой оператором. Если расстояние зонд – поверхность изменяется (например, увеличивается), то происходит изменение (увеличение) параметра Р. В системе ОС формируется разностный сигнал, пропорциональный величине. P=P-P0 , который усиливается до нужной величины и подается на исполнительный элемент (ИЭ). Исполнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал, приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом, можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью. В существующих зондовых микроскопах точность удержания расстояния зондповерхность достигает величины ~0.01 A. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости X,Y сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 22 из 16 компьютером, и затем СЗМ изображение рельефа поверхности Z=f(x,y) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие. Вопросы для самоконтроля 1 Принцип работы СЗМ. 2 Электросиловой метод. 3 Метод Кельвина. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 23 из 16 Лекция 9 Тема. Саморегулирующиеся процессы. Вопросы 1 Виды и характер процессов. 2 Применение. Продукт представляет собой специальную смесь диоксида кремния, триоксида алюминия и плазменнорасширенного графита, сохраняющего свои смазывающие свойства до температуры 1200 С. Эта смесь изготавливается на основе уникального метода активации каждого компонента, который позволяет создавать на поверхностях трущихся деталей двигателей в процессе их работы антифрикционное покрытие с продолжительным эффектом безизносности и низким коэффициентом трения. Покрытие образует прочное соединение с металлической поверхностью, снижает износ и трение, продлевает срок службы деталей. Применение нанотехнологий для снижения потерь от трения в двигателях и других агрегатах позволяет реализовать новый принцип продления жизни кинематических пар трения через микромодификацию поверхностей трения в процессе работы машин и механизмов, используя энергию трения. Введение NanoVit в зоны трения приводит к активному построению, с использованием энергии трения, нанокристаллических структур в виде самовосстанавливающегося микромодифицированного слоя на поверхности металла. На металлической поверхности микромодифицированный слой представляет собой прочную и эластичную структуру, поверхностная часть которой динамически разрушается и восстанавливается, оставаясь в определенном равновесии. Построение микромодифицированного слоя можно регулировать количеством продукта. Большая сила трения и высокая температура многократно повышают активность NanoVit по модификации поверхностного слоя. Саморегулирующийся процесс Слой, защищающий от износа, является самовосстанавливающимся. Этот саморегулирующийся процесс использует энергию, выделяющуюся при трении. Эта энергия идет с одной стороны на построение слоя, а с другой стороны на его разрушение. Равновесие процессов построения и разрушения наружной эластичной части слоя наступает при зазоре между трущимися поверхностями в 1-1.5 мкм и коэффициент трения уменьшается. Зазор между трущимися деталями не должен превышать на 25% максимально допустимый износ конструкции. Толщина слоя составляет от 0,0001 до 0,1 мм. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 24 из 16 Процесс обработки можно разделить на два этапа. На первом этапе происходит основательная очистка поверхностей от продуктов износа, нагара и других загрязнителей. Далее происходит синтез многослойного покрытия на подготовленных и очищенных поверхностях пар трения. Вначале, за счёт образования покрытия происходит увеличение площади особо нагруженных зон трения, а затем покрытие распространяется на все трущиеся поверхности в зависимости от величины приложенных к ним контактных нагрузок, восстанавливая геометрию трущихся поверхностей. В ходе формирования многослойного покрытия температура в зонах трения уменьшается, и рост толщины покрытия замедляется вплоть до полного его прекращения. Таким образом, происходит саморегуляция толщины защитного слоя. Вопросы для самоконтроля 1 Что такое саморегулирующийся процесс? 2 Как работает NanoVit? 3 Принцип действия NanoVit? УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 25 из 16 Лекция 10 Тема. Формирование наноструктурированных материалов. Вопросы 1 Формирование наноструктурированных пленок и покрытий. 2 Формирование наноструктурированных поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы. Фольга изготовляется вакуумным методом по рулонной ионноплазменной технологии синтеза наноструктурированных материалов, что позволяет организовать производство анодной фольги нового типа для существующих и перспективных алюминиевых электролитических конденсаторов в промышленном масштабе. Наноструктурированная конденсаторная анодная фольга, представляет собой качественно новую основу с осажденным на ее поверхности нанослоем алюминия. В настоящее время наноструктурированная анодная фольга на российском и зарубежном рынках радиоэлектроники отсутствует. Рисунок 1 – наноструктура поверхности алюминиевой анодной фольги. Преимущества вакуумной ионно-плазменной технологии: – для нанесения используются неорганические и нетоксичные материалы; – снижается химическое загрязнение поверхности фольги; – отсутствуют высокотоксичные отходы; – промышленные вакуумные установки более компактны по сравнению с большими производственными мощностями по травлению фольги; – сокращаются производственные расходы (за счет отсутствия необходимости строительства дорогостоящих очистных сооружений для утилизации отходов травления); – экономится электроэнергия; – более эффективно расходуется сырье (алюминий). Преимущества наноструктурированной анодной фольги перед фольгой, изготавливаемой методом электрохимического травления: УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 26 из 16 – значительное увеличение емкости (на 50%) за счет максимальной площади рабочей поверхности; – уменьшение толщины (в 1,5-2 раза) и веса; – значительное увеличение механической прочности; – уникальная эластичность. Предварительные испытания наноструктурированной анодной фольги в электролитических конденсаторах показали стабильность ее электрохимических и электрофизических характеристик. В частности, удельная емкость конденсаторов, использующих данную фольгу, составила 120 мкФ/см2 при напряжении 30 В. Рисунок 2 – наноструктурированная алюминиевая анодная фольга на основе полимерной пленки. Вопросы для самоконтроля 1 Что представляет наноструктурированная конденсаторная анодная фольга? 2 Какие преимущества вакуумной ионно-плазменной технологии? 3 Какие преимущества наноструктурированной анодной фольги перед фольгой, изготавливаемой методом электрохимического травления? УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 27 из 16 Лекция 11 Тема. Новейшие достижения в области нанотехнологий. Вопросы 1 Методы исследования. 2 Нанокристаллы. 3 Аэрогель. 4 Наноаккумуляторы. Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и дилектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния являются основой современной твердотельной электроники. Аэрогели (от лат. aer – воздух и gelatus – замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. На ощупь аэрогели напоминают легкую, но твердую пену, что-то вроде пенопласта. При сильной нагрузке аэрогель трескается, но в целом это весьма прочный материал – образец аэрогеля может выдержать нагрузку в 2000 раз больше собственного веса. Аэрогели, в особенности кварцевые – хорошие теплоизоляторы. Они также очень гигроскопичны. По внешнему виду аэрогели полупрозрачны. За счёт релеевского рассеяния света на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отражённом свете и светло-жёлтыми в проходящем. Углеродные нанотрубки (тубелены) – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 28 из 16 нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Структура нанотрубок Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики. Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат. Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр. Индексы хиральности однослойной нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют её диаметр D. Указанная связь имеет следующий вид: (1) где d0 = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением: (2) Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α=0 (armchair конфигурация) и α=30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2n, n) соответственно. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 29 из 16 Рисунок 1 – Виды нанотрубок. Вопросы для самоконтроля 1 Что такое нанотрубка? 2 Какие виды нанотрубок вы знаете? В чем их отличие? 3 Что такое аэрогель? Какие виды аэрогелей существуют? 4 Что такое монокристалл? УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 30 из 16 3 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ Практические занятия – одна из форм учебного занятия, направленная на развитие самостоятельности студентов и приобретение умений и навыков. Практические занятия должны способствовать углубленному изучению наиболее сложных вопросов дисциплины и служат основной формой подведения итогов самостоятельной работы студентов. Именно на этих занятиях студенты учатся грамотно излагать проблемы и свободно высказывать свои мысли и суждения, рассматривают ситуации, способствующие развитию профессиональной компетентности. Всё это помогает приобрести навыки и умения, необходимые современному специалисту. Практическое занятие 1. Химическое осаждение из газовой среды. Цель занятия. Изучить принципы и методы химического осаждения из газовой среды. Обсудить основные достоинства и недостатки каждого метода. Методические рекомендации по проведению занятия приводятся в методических указаниях. Практическое занятие 2. Методы, использующие сканирующие зонды. Цель занятия. Подвести итоги изучения методов, использующих сканирующие зонды. Обсудить основные достоинства и недостатки каждого из них. Методические рекомендации по проведению занятия приводятся в методических указаниях. Практическое занятие 3. Атомная инженерия. Цель занятия. Подвести итоги изучения темы атомная инженерия. Методические рекомендации по проведению занятия приводятся в методических указаниях. Практическое занятие 4. Методы формирования наноразмерных изображений. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 31 из 16 Цель занятия. Подвести итоги изучения методов формирования наноразмерных изображений. Обсудить основные достоинства и недостатки каждого из них. Методические рекомендации по проведению занятия приводятся в методических указаниях. Практическое занятие 5. Формирование наноструктурированных материалов. Цель занятия. Обсудить способы наноструктурированных материалов. и методы формирования Методические рекомендации по проведению занятия приводятся в методических указаниях. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Страница 32 из 16 4 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА МАГИСТРАНТА При кредитной системе обучения предъявляются высокие требования к повышению качества организации самостоятельной работы магистрантов, которая включает выполнение различных домашних заданий. Планы СРМ представлены в таблице 1. Таблица 1 СРМ Введение. Тенденции развития нанотехнологий. Изучение материала лекции 1. 5 часов Осаждение атомных слоев. Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы. Химическое осаждение из газовой среды. Изучение материала лекции 2. 3 часов Химическое осаждение из газовой среды. Выполнение задания ПЗ 1. 3 часов Легирование. Молекулярно – лучевая эпитаксия. Изучение материала лекции 3. 4 часов Методы, использующие сканирующие зонды. Изучение материала лекции 4. 3 часов Методы, использующие сканирующие зонды. Выполнение задания ПЗ 2. 3 часов Сканирующая туннельная микроскопия. Изучение материала лекции 5. 4 часов Атомная инженерия. Изучение материала лекции 6. 3 часов Атомная инженерия. Выполнение задания ПЗ 3. 3 часов Рубежный контроль 1. 7 неделя 6 часов Зондовые методы формирования наноструктур. Изучение материала лекции 7. 4 часов Методы формирования наноразмерных изображений. Изучение материала лекции 8. 3 часов Методы формирования наноразмерных изображений. Выполнение задания ПЗ 4. 3 часов Саморегулирующиеся процессы. УМКД 042-18-6.1.118/03-2015 Ред. № ___ от «___» ________ 20____ г. Изучение материала лекции 9. 4 часов Формирование наноструктурированных материалов. Изучение материала лекции 10. 3 часов Формирование наноструктурированных материалов. Выполнение задания ПЗ 5. 3 часов Новейшие достижения в области нанотехнологий. Изучение материала лекции 11. 4 часов Итоговый рубежный контроль. 15 неделя. 6 часов Страница 33 из 16