Вопрос. Структура наноразмерных материалов
Общие сведения о наноразмерных структурах
На сегодняшний момент можно с уверенностью сказать, что изучение наноразмерных структур (далее - наноструктур) относится к направлению «нанотехнологии». Важными составляющими этого научно-технического направления является разработка и изучениенаноструктурных материалов (далее - наноматериалов), наноразмерных объектов (далее -нанообъектов), способов их совмещения, а также исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях.
Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолокнистыми, нанопористыми и т.д.) принято понимать материалы, основные структурные элементы (кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают т. н. нанотехнологической границы - 100 нм (1 нм = 10-9 м), по крайней мере в одном направлении. Ряд исследователей высказывает мнение, что верхний предел (максимальный размер элементов) для наноструктур должен быть связан с неким критическим характерным параметром: длиной свободного пробега носителей в явлениях переноса, размерами доменов/доменных стенок, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций, длиной волны де Бройля и т.п. В задачу исследований входит установление многообразных связей между свойствами и структурой материалов с выявлением оптимальных наноструктур, что осуществляется в тесной связи с технологией изготовления и последующей эксплуатацией наноструктурных материалов.
Общепринятым подходом к определению нанообъектов является положение о том, что к ним относятся такие объекты, размеры которых хотя бы в одном из пространственных направлений составляют примерно 0,1..100 нм - это так называемые малоразмерные объекты. Стоит отметить, что объекты, имеющие малые (менее 100 нм) размеры могут быть разделены на нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы), одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки), двумерные/квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов) и трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры) по количеству направлений в которых линейные размеры L >> 100 нм. Также особое место занимают структуры с дробной размерностью D (фракталов) 1 <D<2 или 2<D<3 (гетероструктуры, квазирешетки из квантовых точек и квантовых ям)
|
|
|
Соответствующий подход применим и к наноструктурам, только в случае наноструктур речь идет о структурных элементах (рис. 1.1.1). Размерные характеристики некоторых современных систем даны в табл.
Рис. 1.1.1. Наноструктуры различной размерности
Таблица 1.1.1. Пространственные масштабы современных систем
|
|
|
|
Наноэлектромеханические системы - это совокупность электронных и механических элементов, выполненных в наноразмерном исполнении на основе групповых методов. Сложные функциональные системы могут строиться на основе микро- нанотехнологий и наноматериалов. Преимущества НЭМС состоят в сопряжении элементов различного функционального назначения - механических и электронных. Приборы НЭМС могут включать наночувствительный элемент (ЧЭ, актюатор), схему преобразования сигнала, системы управления, системы хранения и передачи информации. Наибольший интерес представляет технология кремний-на-изоляторе (КНИ), позволяющая не только улучшить основные характеристики микро- и наносистем, но и значительно расширить перспективы приборных реализаций изделий микро- и наноэлектроники, включая наносенсорику и наноситемную технику, например структуры КНИ и составные структуры позволяют в перспективе разрабатывать схемы с трехмерной интеграцией.
|
|
|
Рис. 1.1.2. Принципиальный базис нанотехнологии
Нанопроводники и нанотрубки могут использоваться как отдельные функциональные элементы (T-, Y-образные нанотрубки могут работать как транзисторы), так и в качестве элементов - например как канал полевого транзистора или элементы нанопамяти.В ряде изданий, монографий и статей изложены сведения о технологии, структуре, свойствах и применении наноматериалов и наноструктур, однако здесь приведено лишь описание отдельных представителей классов и не отражены в полной мере особенности современного наноструктурногонаправлениянанотехнологии в целом. Чем же обуславливается современный интерес к нанотехнологии вообще и к исследованию наноструктур в частности?
С одной стороны, методы нанотехнологии позволяют получать принципиально новые устройства и материалы с характеристиками значительно превышающими их современный уровень. Это первостепенно важно для создания новой элементной базы для выпуска наноустройств будущего, независимо от физических принципов их функционирования.
С другой стороны, нанотехнология является весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, технологии, направлений в области интеллектуальных/самоорганизующихся систем, высокотехнологичной компьютерной техники и т. д.
|
|
|
Наконец, решение проблем нанотехнологии, в первую очередь исследовательских, выявило множество пробелов, как в фундаментальных, так и в технологических знаниях. Все вышеперечисленное способствует концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.
Во многих технологически продвинутых странах (США, Объединенная Европа, Япония, Китай) приняты и активно претворяются в жизнь национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие различных научно-технических разработок, относящихся к областинанотехнологии и наноструктур.
Если говорить о наноматериалах, то среди некоторых исследователей принято выделять несколько основных разновидностей:
· консолидированные наноматериалы;
· нанополупроводники;
· нанополимеры;
· нанобиоматериалы;
· фуллерены и нанотрубки;
· наночастицы и нанопорошки;
· нанопористые материалы; супрамолекулярные структуры.
Консолидированные материалы - компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.
Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть в изолированном и, частично, в смешанном (консолидированном) состоянии.
Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н. Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формы углерода - кластеров С60 и С70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991).
Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают, в общем случае, нанотехнологической границы. Различие состоит в том, что Наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда как нанопорошки - обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.
Супрамолекулярные структуры - это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (Ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.
Из вышеперечисленного видно, что различные наноматериалы и наноструктуры разительно отличаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам. Их объединяет характерный малый размер элементов (частиц, зерен, трубок, пор), определяющий структуру и свойства.
Одной из наиболее распространенных классификаций для основных типов структур неполимерныхнаноматериалов является известная классификация Г. Глейтера . По химическому составу и распределению фаз выделяются четыре типа структуры (табл. 1.1.2): однофазные, статические многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела и матричные многофазные. Также можно выделить три типа структуры по форме: пластинчатую, столбчатую и содержащую равноосные включения. Здесь учитываются также возможности сегрегации на межкристаллитных границах. Наиболее распространены одно- и многофазные матричные и статические объекты, столбчатые и многослойные структуры (в большинстве случаев для пленок).
Таблица 1.1.2. Классификация консолидированных наноматериалов.
Жизнеспособной также представляется двухбазисная классификация наноразмерных структур (НРС), представленная на рис. 1.1.4.
Рис. 1.1.4. Классификация наноразмерных структур (НРС)
Здесь одно направление классификации (по нанобазису) отражает различие происхождения наноструктур, другое (по топологии) разделяет наноструктуры по непрерывности. Подробнее эти направления представлены в табл. 1.1.3.
Таблица 1.1.3. Классификация наноструктур по нанобазису
|
Отдельную нишу с точки зрения применения в наноэлектронике и нанофотонике занимают такие материалы, как нанокомпозиты, нанокерамика, нанопористые материалы, сверхпроводящие материалы, а также наноэлектромеханические системы (НЭМС/NEMS).
Нанокомпозиты определяются наличием четкой границы разделов элементов, объемным сочетанием компонентов, а также тем, что свойства композиции шире, чем свойства совокупности компонентов. По характеру связности структурных элементов композиты делятся на матричные (один компонент - матрица, другие - включения), каркасные (компоненты - взаимопроникающие жесткие монолиты) и однокомпонентные поликристаллы (структурные элементы - одно вещество с разной ориентацией главных осей анизотропии). По форме структурных элементовнанокомпозиты делятся на волокнистые, зернистые и слоистые. По объемному расположению структурных материалов - регулярные и стохастические. В электронике применимы в основном сегнетоэлектрики.
Нанокерамика - поликристаллические материалы, полученные спеканием неметаллических порошков с размером частиц менее 100 нм. Нанокерамику обычно делят на конструкционную (для создания механически прочных конструкций) и функциональную (со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями). Перспективность нанокерамики обусловлена сочетанием многообразия свойств, доступностью сырья, экономичностью технологии производства, экологичностью и биосовместимостью. Некоторые разновидности обладают проводящими, полупроводниковыми, магнитными, оптическими, термическими и др. свойствами, которые интересно использовать в элементах приборных устройств. Функциональной с точки зрения совмещения электронных и наномеханических систем, является пьезокерамика, способная поляризоваться при упругой деформации и деформироваться под воздействием внешнего электромагнитного поля.
Нанопористые материалы - с размером пор < 100нм - представляют интерес как промежуточные структуры в технологическом процессе изготовления наноэлектронных изделий, например, как мультикатализаторы; как источники энергии и сенсоры.
Сверхпроводники (имеются ввиду высокотемпературные) представляют особый интерес, так как делают возможным создание дешевых электронных приборов на основе эффектов Джозефсона и Мейснера, возможных только в сверхпроводниках. При этом наилучшие характеристики достигаются при размерах активной зоны менее 10 нм, что связано с малой длиной корреляции носителей в высокотемпературных сверхпроводниках (0,1-1,5 нм). С появлением методов формирования наноразмерных структур стало возможным создание очень экономичных и быстродействующих элементов цифровой электроники, чувствительнейших датчиков магнитного поля и аналоговых элементов.
Наноэлектромеханические системы - это совокупность электронных и механических элементов, выполненных в наноразмерном исполнении на основе групповых методов. Сложные функциональные системы могут строиться на основе микро- нанотехнологий и наноматериалов. Преимущества НЭМС состоят в сопряжении элементов различного функционального назначения - механических и электронных. Приборы НЭМС могут включать наночувствительный элемент (ЧЭ, актюатор), схему преобразования сигнала, системы управления, системы хранения и передачи информации. Наибольший интерес представляет технология кремний-на-изоляторе (КНИ), позволяющая не только улучшить основные характеристики микро- и наносистем, но и значительно расширить перспективы приборных реализаций изделий микро- и наноэлектроники, включая наносенсорику и наноситемную технику, например структуры КНИ и составные структуры позволяют в перспективе разрабатывать схемы с трехмерной интеграцией.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 377; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!