Студопедия
Обратная связь


Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram 500-летие Реформации

Загрузка...

Физические основы нанотехнологий, получение наноматериалов

| следующая статья ==>

 

Нано-электроника появилась в процессе естественной микроми­ниатюризации элементной базы современных электронных устройств и систем, где каждый шаг дается с большим трудом и часто диктует необхо­димость привлечения новых (иногда принципи­ально) физических путей и методов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет харак­терный размер <100 нм, хотя бы в одном измере­нии (направлении).

Физическая электроника в самом общем смысле этого слова представляет собой раздел физики, который занимается изучением явлений, связанных с движением заряженных частиц и, в первую очередь, электронов (отсюда и само на­звание «электроника») в различных материальных средах, включая физический вакуум.

Это, прежде всего, вакуумная электроника, изучающая процес­сы, которые происходят при движении заряжен­ных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого движения.

Сюда относятся вся элек­тронная оптика, электронная и ионная микроско­пия, а также физика явлений, происходящих в различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и приборов, применяющихся для генерации или усиления электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона. По­следнее направление в настоящее время оформи­лось в самостоятельное - радиофизику СВЧ (или микроволн).

Во-вторых, это явления испускания электронов и атомарных частиц, чаще всего ио­нов, различными средами, в основном твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел физической электроники, называемый эмиссионной электроникой.

С появлением полу­проводников интенсивно начала развиваться по­лупроводниковая электроника и на ее основе - электроника твердого тела. В дальнейшем полу­проводниковая электроника также стала разви­ваться самостоятельно и является в настоящее время междисциплинарным разделом физики. К области же собственно физической электроники продолжают относиться такие разделы твердо­тельной электроники, как физика поверхности,тонких пленок и пленочных структур~ элемент­ной базы современной микроэлектроники.

Исторически одним из основных разделов физической электроники являлась так называемая газовая электроника, изучавшая процессы в раз­личных газоразрядных радиотехнических устрой­ствах, таких как тиратроны, разрядники, стабили­троны и т.п. На основе изучения физики газового разряда оформился и в дальнейшем получил са­мостоятельное развитие такой крупный раздел физики, как физика плазмы. Тем не менее, наука о плазменных средах является важнейшей состав­ной частью физической электроники, поскольку она изучает большой круг проблем, связанных с поведением газа заряженных частиц - электронов, ионов и дырок, атомов и молекул, в том числе, находящихся в возбужденном состоянии, а также квантов излучения (э.-м. поля) и нейтральных частиц в самых разных материальных средах: собственно плазме как газовой среде и газе носителей заряда (электронов и дырок) в твердых те­лах, которые при этом принято называть плазмо-подобными (или плазменными) средами. С разви­тием лазерной физики из этой науки выделился крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа возбужденных атомов, молекул и квантов излучения, получивший название кванто­вой электроники.

Ваку­ум, газы и конденсированные среды мо­гут контактировать друг с другом. Для конденси­рованных сред при этом вводят понятие границы раздела этих сред или понятие поверхности. Тра­диционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного изменения свойств ве­щества. Реально вблизи собственно геометриче­ской границы материальной среды существует некоторая область конечной толщины, в которой ее свойства существенно отличаются от свойств вещества в объеме.

Действительно, в объеме лю­бая частица взаимодействует только с частицами этой среды, а вблизи границы, с одной стороны - с частицами этой же среды, а с другой - с части­цами той среды, с которой она граничит. Если вторая среда - вакуум, на границе твердого тела должны существовать разорванные атомарные связи. При этом толщина погранично­го слоя определяется тем расстоянием от поверх­ности, начиная с которого частицы среды пере­стают «ощущать» влияние частиц за ее границей. Толщина такого слоя, по крайней мере, порядка дебаевского радиуса rD, который для твердого тела имеет порядок величины от 1 до 100 нм. Следует также учесть, что в этот слой проникают частицы среды - соседки за счет взаи­модиффузии нейтральных атомов, ионов, элек­тронов или дырок или бомбардировки другими частицами (контакт с газом или вакуумом). При учете всех этих процессов характерная толщина такого слоя в направлении нормали к границе может достигать размеров порядка нескольких сотен нанометров.

Итак, поверхность твердых тел - это естественный нанообъект, в котором проявляются новые качественные свойства. Эти свойства можно направленно изменять путем ис­пользования плазменных, лучевых (потоки частиц) и радиационных (поток квантов излучения) нано-технологий направленного изменения свойств по­верхности или, другими словами, модификации свойств поверхности.

Поскольку в конденсированных средах пове­дение образующих их частиц - атомов, ионов, электронов и дырок - подчиняется законам кван­товой механики, т.е. описывается их волновыми функциями, в них проявляются новые свойства, обусловленные квантоворазмерными эффектами - зависимостью свойств наносистемы от соотно­шения ее характерных размеров и характерных размеров области корреляции различных физиче­ских взаимодействий и явлений, происходящих в системе частиц. В связи с этим поверхность можно считать, пожалуй, самой распространенной естест­венной наносистемой, причем пленочного типа.

Следующим шагом модификации свойств по­верхности является осаждение на ее поверхности тонких пленок либо слоистых пленочных структур, толщина которых может быть от микрон до долей микрона, т.е. может удовлетворять условию d < 100 нм. Такие пленочные структуры служат осно­вой для построения элементной базы современной микро-, а в пределе d < 100 нм, наноэлектроники.

Это двумерные наноструктуры, причем ин­теграция элементов происходит в их плоскости. Тонкие пленки могут выполнять и функциональ­ные задачи упрочнения поверхности, изменения ее смачиваемости, коэффициента трения и др. Новое качество может быть достигнуто путем осаждения на поверхность твердого тела атомов тех элемен­тов, которые могут образовывать различные веще­ства, отличающиеся по своим структуре и свойст­вам, т.е. различные аллотропные модификации. Ха­рактерный пример - углерод, который может суще­ствовать в виде четырех аллотропных форм, отли­чающихся типом гибридизации: sp3 и sp2- этим ти­пам соответствуют устойчивые модификации алмаз и графит, а также sp1 и sp°, которым отвечают метастабильные модификации линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) углерода. При этом метод управляемого осажде­ния атомов углерода в настоящее время является практически единственным методом синтеза по­следних двух форм углерода.

Экспериментальная установка получения углеродных пленок представляет собой вакуумную систему, обеспечивающую импульс­ное осаждение углерода из плазменных сгустков, формируемых вакуумной дугой, с плотностью ионов 1013...1014 см3 и степенью ионизации 95%. Частота импульсов варьируется в пределах 1...30 Гц, длительность импульса 100 мкс.

Ионный пучок формируется ионным источником низкого давле­ния. Энергия ионов Аг+, облучающих поверх­ность растущей пленки, варьируется в пределах 0-300эВ и зависит как от напряжения экстракции, так и от параметров углеродной плазмы. В ниже­описанных экспериментах эта энергия была равна 150эВ. В качестве материалов подложки исполь­зовались NaCl (для электронномикроскопических исследований), Si (для электронной спектроско­пии), а также сталь, полимеры, керамика и т.д. Рабочее давление в камере - 104 Па.

Рис. 8.1 Схема метода получения углеродных пленок: 1 - подложка; 2 - поток углерода; 3 - ток ионов аргона; 4 - графитовая мишень.

Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответствующего размера (наночастицы), а также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Многообразие возможных видов наночастиц весьма велико.

Од­ним из основных физических признаков принад­лежности к наномиру является равенство или превышение поверхностной энергии наночастицы по сравнению с ее объемной энергией. Поэтому отличительным свойством наночастиц является их активность за счет наличия на их поверхности оборванных связей. В общем случае обычно это трехмер­ные объекты (3D).

Естественно, что право на существование имеют одномерные (ID) и нульмерные системы (0D). К первым относят так называемые квантовые нити (квантовые провода), которые формируются в условия сильной анизотропии свойств вещества сильным проявлением квантово-размерных эффек­тов и с диаметром < 100 нм (важный пример кван­товой нити - полупроводниковые нанотрубки). На­конец, характерным примером нульмерной систе­мы или квантовой точки может служить экситон.

Наносистемы могут либо организоваться в природе естественным путем - поверхность, нанокластеры карбина, нанотрубки и др. - либо модифицируются путем управляемого выращивания (тонкие пленки и пленочные наност­руктуры) с помощью осаждения на поверхность частиц нужного свойства. Такие частицы могут осаждаться из плазмы или других источников пуч­ков атомов, ионов, молекул, причем важным эле­ментом такой технологии является предваритель­ная подготовка поверхности таким образом, чтобы она стимулировала рост необходи­мой структуры осаждаемой пленки. Это, например, управление процессом эпитаксиалъного роста, при котором межатомные расстояния выращивае­мой пленки повторяют геометрию создаваемых на поверхности центров зародышеобразования. Для реализации такого процесса нужно детально знать физику взаимодействия ионов и электронов с по­верхностью твердого тела.

Описанный процесс ионно-стимулированного эпитаксиального роста пленок на командной поверхности является важным примером само­сборки, которая является неотъемлемым свойст­вом нанотехнологий.

В настоящее время проводится обширный цикл иссле­дований процессов взаимодействия пучков заря­женных частиц (электронов и ионов в широком диапазоне их энергий) с поверхностью твердых тел:

· распыление материала поверхности;

· вто­ричная ионно-ионная;

· ионно-электронная;

· элек­трон-ионная эмиссия;

· внедрение частиц пучка в поверхность;

· напыление частиц пучка на поверх­ность;

· изменение фазового состава поверхности;

· активация поверхности и т.п.

Все эти процессы реа­лизуются также при контакте газоразрядной плазмы с поверхностью, и так или иначе исполь­зуются в различных технологических циклах, та­ких, как травление, имплантация, интеркалирование, осаждение пленочных структур, литография и других технологических циклах современной микро-, а с переходом к характерным размерам < 100 нм, наноэлектроники.

Установлено, что важную роль играют неуп­ругие процессы при взаимодействии ионов ма­лых энергий с поверхностью твердых тел. Выяв­лен основной механизм такого взаимодействия, а именно, - резонансная перезарядка. Этот процесс лежит в основе большинства нанотехнологий мо­дификации свойств поверхности.

Среди про­цессов, сопровождаемых (вызываемых) на поверх­ности твердых тел пучками заряженных частиц: электронов и, в первую очередь, ионов для пони­мания магистрального направления развития исследовательских работ являются процессы электронной и ионной стимуляции направленного выращивания (напыление, осаждение) на ней пленок различных углеродных метастабильных фаз и, в первую оче­редь, двумерно-упорядоченного линейно-цепо­чечного углерода (ДУ ЛЦУ).

В настоящее время хорошо известно, что в при­роде и в лабораториях мира давно изучается метастабильная аллотропная фаза углерода, так называемый линейно-цепочечный углерод. Впервые он был открыт в России в 1960 г. учеными из Института элементоорганических соединений Сладковым A.M. и Кудрявцевым Ю.П. После длительного отжига в вакууме при темпе­ратуре 1000 °С в продукте, содержавшем 99,9% углерода, было обнаружено наличие кристалли­ческой фазы со средними размерами кристаллов порядка 100 нм. Этот материал обнаруживал на­личие линейных цепочек углеродных атомов, и был назван карбином. Полученный результат долго подвергался сомне­нию в среде химиков, поскольку линейная цепоч­ка углеродных атомов неустойчива до 6...8 ато­мов, после чего она должна замыкаться на близ­лежащие цепочки с образованием графитовых связей - сшивок цепочек.

С использовани­ем физических методов анализа электронной структуры карбина (Оже-спектроскопия) было доказано, что он представляет собой доста­точно протяженные отрезки линейных цепочек углерода (ЛЦУ), стабилизированных в районе развития неустойчивости сшивания изгибами це­почек, либо присутствием постороннего атома. Тем не менее, для этой структуры характерным оказалось наличие упомянутых выше сшивок. Этот материал мог синтезироваться в виде ниток (волокон), ваты, войлока, порошка.

В 1992г. был синтезирован пленочный кристалл, образованный цепочками углеродных атомов, ориентированных нормально к подложке, так называемый двумерно-упорядоченный углерод (ДУ ЛЦУ).

ДУЛЦУ представляет собой плотно упако­ванную гексагональную решетку из линейных це­почек углерода, которые стабилизированы чере­дующимися произвольно ориентированными изги­бами, образующими слои, расположенные на рас­стоянии от 2-х до 8 атомов углерода (самосборка). Технология позволяет выращивать сплошные пленки, не имеющие островковой структуры и полностью покрывающие подложку, повторяя ее исходную топографию, начиная с толщин « 5 А. При этом пленка по данным атомно-силовой мик­роскопии имеет атомно-гладкую поверхность.

Важной особенностью структуры ДУ ЛЦУ является ее сильная анизотропия, из которой вы­текает и анизотропия ее физико-химических свойств. На разрыв цепочки ЛЦУ имеют очень высокую механическую прочность (выше, чем у нанотрубок), в противоположном направлении пленка очень эластична и допускает расстояние более, чем в 3 раза, без нарушения сплошности. Наличие оборванных связей на концах цепочек приводит к ее необыкновенно сильной адгезии к подложке, которая оказывается выше ее объемной прочности. Это позволяет снижать коэффициент трения за счет покрытия трущихся поверхностей пленками ДУ ЛЦУ.

Анизотропны и электрофизические свойства пленки, проводимость которой вдоль цепочек и в поперечном направлении отличается на шесть по­рядков. Вдоль цепочки движение электронов но­сит баллистический характер, т.е. подобно дви­жению электронов в вакууме; в поперечном направлении пленка проявля­ет свойства диэлектрика, а проводимость носит прыжковый характер. Это открывает принципи­ально новые возможности в создании наноэлектронных систем.

В силу слабой связи цепочек ЛЦУ, находя­щихся на значительном расстоянии друг от друга, пленки ДУ ЛЦУ прозрачны для электронных пуч­ков, более того, они коллимируют и усиливают электронные пучки (из-за взаимодействия с плазмонами).

Материалы, содержащие линейно-цепочечный уг­лерод, в силу отмеченных выше уникальных физи­ко-химических свойств находят самое широкое применение в различных областях практического применения от наноэлектроники до медицины.

 

| следующая статья ==>





 

Читайте также:

Общая характеристика организации и функционирования сенсорных систем живых объектов

Устройство и принцип работы атомного силового микроскопа

Применение методов зондовой микроскопии для аналитических измерений

Искусственные нейронные сети (ИНС)

MEMS-дисплеи.

Применения сверхпроводников в измерительной технике

Понятия экситона, поляритона, плазмона

Физические основы СКВИД - микроскопии

Теоретические основы построения и функционирования искусственных нейроноподобных устройств

MEMS-источники питания для портативных устройств.

Квантовый осциллятор на базе электромеханического резонатора

Упорядоченные углеродные наноструктуры и области их практического применения

Понятия классических и квантовых систем

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении

Просмотров: 2567

 
 

54.159.71.232 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.