Введение. 1. Springer Handbook оf Nanotechnology (ed

Литература

1. Springer Handbook оf Nanotechnology (ed. by В. Вushan). Sрringег. 2004. 1500 рр.

2.Handbook of Naпоsсiепсе, Еnginееring Тесhпо1оgу (ed. by Goddart et al.). СRС Ргеss. 2002. 848 рр.

3. D. S. Goodsell. Bionanotechnology. Lesson from Nature. A John Wiley & Sons, Inc. Publication. 2004. 337 pp.

4.E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz. Scanning Probe Microscopy. The Lab on a Tip. Springer. 2003. 210 pp.

5. Micromachines as Tools for Nanotechnology (ed. by H. Fujita). Springer. 2003. 211 pp.

6. Chemisry of Nanomolecular Systems (ed. by T. Nakamura et al.). Springer-Verlag. 2003. 191 pp.

7. Nanostructured Materials and Technology (ed. by H. S. Nalwa). Elsevier. 2001. 864 pp.

8.P. M. Ajayan, L. S. Schadler, P. V. Braun. Nanocomposite Science and Technology. Wiley-VCH GmbH & Co.
KgaA. 2003. 230 pp.

9. Multilayer Thin Films. Sequential Assembly of Nanocomposite Materials (ed. by G. Decher and J. Schlenoff).
A. Wiley - VCH Publication. 2003. 554 pp.

10. Nanoelectronics and Information Technology. Advanced Electronic Materials and Novel Devices (ed. by
R. Waser). Wiley - VCH Verlag GmbH & Co. 2004. 1001 pp.

11. Future Trends in Microelectronics. The Nano Millenium (ed. by S. Luryi et al.). A John Wiley & Sons, Inc.
Publication. 2002. 387 pp.

12.V. Bolzani, M. Venturi, A. Credi. Molecular Devices and machines. A Journey into the Nanoworld. Wiley
VCH. 2003. 494 pp.

13. Nano and Giga Challenges in Microelectronics (ed. by J. Greer et al.). Elsevier. 2003. 256 pp.

14.T. Gupta. Handbook of Thick- and Thin-Film Hybrid Microelectronics. A Wiley - VCH Publication. 2003.
424 pp.

15.G. B. Rebeiz, RF MEMS. Design & Technology. A Wiley - VCH Publication. 2003. 512 pp.

16.V Varadan, K. J. Vinoy, K. A. Jose. RF MEMS and Their Applications. A Wiley - VCH Publication. 2002.
406 pp.

17. Semiconductor Spintronics and Quantum Computation (ed. by D. Awschalom et al.). Springer. 2002. 311 pp.

18.П. Харрис. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. М. Техносфера. 2003. 336 с.

19.В.И. Трефилов и др. Фуллерены — основа материалов будущего. Киев. Изд-во АДЕФ-Украина.
2001. 148 с.

20.А.И. Гусев, А.А. Ремполь. Нанокристаллические материалы. М. Физматлит. 2001. 224 с.

21.Н.И. Носкова, P.P. Мулюков. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и спла­
вы. Екатеринбург. Изд-во УрО РАН. 2003. 279 с.

22.Нанотехнология в ближайшем десятилетии (под ред. М. Роко, пер. с англ. под ред. Р.А. Андриев­
ского). М. Мир. 2002. 295 с.

Приставка нано- вообще означает одну миллиардную (10 ⁹) чего-либо. Нанотехно-логия имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых — порядка миллиардных долей метра. Хотя слово нанотехнология являет­ся относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь. Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся из­нутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с уг­леводами. Трещины, появляющиеся снаружи, не могут распространяться в ракови­не из-за наноструктурированных кирпичиков. Раковины являются природной де­монстрацией того, что структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного прочнее материала, однородного в объеме.

В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преиму­щества наноразмерных материалов. Есть сведения, что в четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее наночастицы металлов. Из­делие этой эпохи, называемое чашей Ликурга, находится в Британском Музее. Чаша, изображающая смерть короля Ликурга, сделана из стекла на основе натро­вой извести, содержащего наночастицы серебра и золота. Цвет чаши меняется с зеленого на темно-красный при помещении в нее источника света. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах объясняется присутствием металлических наночастиц в стекле.

Потенциальная важность маленьких частичек — кластеров была осознана ир­ландским (по рождению) химиком Робертом Бойлем и обсуждена в его труде «Хи­мик-скептик» в 1661 году. В нем Бойль критикует воззрения Аристотеля на мате­рию, состоящую из четырех первооснов: земли, огня, воды и воздуха. Вместо это­го он предполагает, что крошечные частички вещества соединяются разными способами и образуют таким образом то, что он называл корпускулами. Он описы­вает их как «крошечные массы, или кластеры, которым тяжело быстро разложить­ся на составляющие их частицы».

Фотография, зрелая и продвинутая технология, развитая в XVIII—XIX вв., ос­новывается на образовании наночастиц серебра под действием света. Фотопленка — это эмульсия галогенида серебра, например, бромида серебра в желатине, нане­сенная на основу из прозрачного ацетата целлюлозы. Свет разлагает галогенид се­ребра с образованием наночастиц чистого серебра, которые и являются пикселя­ми изображения. В конце восемнадцатого века английские ученые Томас Уэджвуд и сэр Хэмпфри Дэви смогли получить изображение, используя нитрат и хлорид серебра, но эти изображения не были долговременными. Множество француз­ских и английских ученых работало над этой проблемой в девятнадцатом веке, в том числе Дагер, Ньепс, Толбот, Арчер, Кеннет. Интересно, что Джеймс Клерк Максвелл, создавший теорию электромагнитного поля, получил в 1861 году пер­вую цветную фотографию. Около 1883 года американский изобретатель Джордж Истмэн, основавший впоследствии корпорацию «Кодак», сделал пленку из длин­ной бумажной полоски, покрытой галогенидом серебра. Потом он усовершенство­вал пленку, сделав ее гибкой. Возможность скручивать пленку в рулон сделала фо­тографию широкодоступной. Таким образом, технология, основанная на исполь­зовании наноразмерных материалов, на самом деле не так уж нова.

В 1857 году Майкл Фарадей опубликовал статью в «Философских Трудах Коро­левского Общества», в которой он предпринял попытку объяснить, как металличес­кие включения в витражном стекле влияют на его цвет, но первым объяснение зави­симости цвета стекла от вещества металлических включений и их размера смог дать Густав Ми в работе, опубликованной в 1908 году в «Анналах Физики» в Лейпциге.

Ричард Фейнман был награжден Нобелевской премией в 1965 году за создание теории квантовой электродинамики, предмета весьма далекого от нанотехнологии. Фейнман был также чрезвычайно одаренным и ярким учителем и лектором. Он считается одним из величайших физиков-теоретиков своего времени. Его интере­сы простирались очень широко, от игры на барабанах бонго до попыток расшиф­ровки письменности майя. Можно составить свое представление о широте его ин­тересов и остроумии, прочитав его замечательную автобиографическую книгу «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман». В 1960 году на собрании Американского Фи­зического Общества он прочитал провидческую и пророческую лекцию под назва­нием «Там внизу еще очень много места», где фантазировал на тему вероятности со­здания и потенциальных возможностей наноразмерных материалов. Он представ­лял себе гравирование линий шириной в несколько атомов посредством электронного пучка, предсказав таким образом осуществление электроннолучевой литографии, используемой сегодня для изготовления кремниевых чипов. Он пред­лагал манипулирование отдельными атомами для создания новых малых структур с очень разными свойствами. И это в самом деле было реализовано посредством сканирующего туннельного микроскопа. Он мыс­ленно видел создание электрических цепей нанометровых масштабов для исполь­зования их в более мощных компьютерах. Как и многие современные исследовате­ли в этой области, он осознавал существование наноструктур в биологических сис­темах. Множество фейнмановских измышлений стало реальностью, однако его идеи не нашли отклика у ученых того времени. Возможно из-за его репутации лю­бителя пошутить, реакцию многих слушателей на услышанное лучше всего можно описать словами заглавия той самой книги, «Вы, конечно, шутите, мистер Фейн­ман». Сейчас среди исследователей в области нанотехнологии эта лекция, разуме­ется, является легендарной, но, как сказал один ученый, «она была столь провидче­ской, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология».

Были и другие провидцы. У Ральфа Ландоера, работавшего в 1957 году на IВМ, были идеи о наномасштабной электронике. Он понимал важную роль, ко­торую могут играть квантово-механические эффекты в таких устройствах.

Хотя Фейнман представил свою лекцию-предвидение в 1960 году, и в 50-х, и в 60-х годах проводились эксперименты на мелких металлических частицах. Тогда это не называлось нанотехнологией, да и не являлось ею по большому сче­ту. Ухлир сообщил о первом наблюдении пористого кремния в 1956 году, но инте­рес к нему появился только после того, как в 1990 году в этом материале обнару­жили флюоресценцию при комнатной температуре. Другая работа того времени была связана с созданием наночастиц щелочных металлов посредством испарения натрия или калия с после­дующим осаждением на более холодной подложке. В 60-х годах были получены ферромагнитные жидкости, состоящие из наночастиц ферромагнетика, диспер­гированных в жидкости. Частицы создавались помолом в шаровой мельнице с жидкостью в присутствии поверхностно активного вещества. Множество инте­ресных свойств и применений таких жидкостей будет обсуждаться. Дру­гим активно развивавшимся в 60-е годы направлением был электронный пара­магнитный резонанс (ЭПР) электронов проводимости в металлических частицах наноразмеров, называемых в то время коллоидами. Частицы создавались посред­ством теплового разложения и облучения твердых тел с положительными ионами металлов и отрицательными молекулярными ионами, такими как азиды натрия и калия. В самом деле, тепловое разложение таких веществ является одним из ме­тодов получения наночастиц, что будет обсуждаться. Особенности структуры металлических наночастиц, такие как существование магических чи­сел, были обнаружены в 70-х годах при масс-спектроскопии в натриевых пучках. Херман с соавторами измерили ионизационный потенциал кластеров натрия в 1978 году и пронаблюдали его зависимость от размера кластера, что привело к созданию модели желе для кластеров, обсуждаемую.

Группы в Ве11 LаЬогаtоriеs и 1ВМ в начале 70-х годов создали первые двумер­ные квантовые ямы посредством выращивания тонких (эпитаксиальных) пле­нок, что позволяет формировать одноатомные слои полупроводника. Эта работа положила начало развитию промышленных методов получения нуль-мерных квантовых точек, которые в настоящее время развились в коммерческую техно­логию.

Однако только с появлением соответствующих методов формирования наност­руктур в 80-х годах активность на этом поприще существенно возросла, что и при­вело к получению множества важных результатов. В 1981 году был реализован спо­соб получения малых металлических кластеров, использующий высокоэнергетичный сфокусированный лазерный луч для создания горячей плазмы при испарении металла.. Поток гелия охлаждает пар, конденсируя атомы металла в кластеры разных размеров. В 1985 году этот метод был использован для получения фуллерена С₆₀. В 1982 году двое российских ученых, Екимов и Омущенко, сообщили о первом наблюдении квантовой локализации. В этом же десятилетии Г.К.Биннигом и Х.Роером был создан сканирую­щий туннельный микроскоп, за что в 1986 году им была вручена Нобелевская пре­мия. Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ), дало новые важные средства наблю­дения, изучения и атомного манипулирования в нанообъектах. В 1987 году Б.Дж. ван Вис и Н. ван Хутен из Нидерландов наблюдали ступени на вольтамперных характеристиках точечных контактов. Подобные ступени наблюдали и Д. Варам и М. Пеппер в Кембридже. Это были первые наблюдения квантования прово­димости. В это же время ТА. Фултон и Г.Дж. Долан из Ве11 LаЬогаtоriеs создали пер­вый одноэлектронный транзистор и наблюдали кулоновскую блокаду. Этот период отмечен развитием методов создания малых структур, таких как электронно-лучевая литография, дающая возможность делать 10-нанометровые структуры. Также в этом десятилетии были получены многослой­ные материалы с чередующимися магнитными и немагнитными слоями, демонстри­рующие удивительные свойства гигантского магнетосопротивления. Эти материалы со слоями нанометровои толщины имеют важное применение для создания новых запоминающих устройств на магнитной основе. Этот вопрос обсуждается в главе 7.

Хотя концепция фотонных кристаллов возникла у теоретиков в конце 80-х годов, первый трехмерно периодический фотонный кристалл с совершенной ще­лью был изготовлен Яблоновичем в 1991 году. В 90-х годах Ижима получил углеродные нанотрубки, в фуллеренах С₆₀ были открыты сверхпроводимость и ферромагнетизм, начаты попытки создания молекулярных переключателей и измерения электропроводности отдельных мо­лекул, продемонстрирован полевой транзистор на углеродной нанотрубке Интенсифицировалось изучение процессов самосборки молекул на металлической поверхности. Само­сборкой называется самопроизвольное образование связей между молекулами и металлической подложкой с образованием упорядоченных структур молекул на ее поверхности. Наиболее широко исследовалась самосборка тиоловых и дисульфидных соединений на золоте.

В 1996 году группа правительственных учреждений под началом Национально­го Фонда Науки организовала изучение текущего мирового состояния нанонауки и нанотехнологии, направлений и перспектив ее развития. Результатом деятельнос­ти группы явились детально разработанные рекомендации по развитию этой облас­ти знаний. Принимая во внимание эти рекомендации, правительство США начало щедро финансировать такие работы и сформировало долговременную государственную программу под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива». Рис. 1.1 показывает увеличение финансирования нанотехнологии правительством США и планируемый рост согласно плану Национальной Нанотех-нологической Инициативы. Это исследование позволило сделать два обобщения.

Первым является то, что при наноструктурировании материалы могут получать новые свойства и необычные характеристики. В основе такого поведения лежит тот факт, что с каждым свойством вещества связана характеристическая, или критиче­ская длина. Например, электросопротивление вещества возникает в результате рас­сеяния электронов проводимости на колеблющихся атомах или примесях. Оно ха­рактеризуется длиной свободного пробега, то есть средним расстоянием, пролетае­мым электроном между двумя отклонениями от прямолинейной траектории. Основные физические и химические свойства меняются, когда размеры твердых тел становятся сравнимыми с характеристическими длинами, большинство из ко­торых лежит в нанометровом диапазоне. Один из наиболее важных примеров тако­го поведения демонстрируют частицы полупроводника с размерами порядка кван­товой длины волны электрона или дырки в зоне проводимости. Это основа кванто­вых точек, одной из весьма развитых нанотехнологии, лежащей в основе лазеров на квантовых точках, использующихся сейчас для чтения компакт-дисков (СД). Э лектронная структура сильно зависит от числа измере­ний, по которым образец имеет нанометровые размеры. Если размеры трехмерной наноструктуры имеют порядок нанометра только в одном измерении, такая структура называется квантовым колодцем.

Рис. 1.1. Финансирование исследований по нанотехнологии по годам. Верхняя линия отражает затраты правительств других стран, нижняя — правительства США. Пунктирная линия показывает предполагае­мые затраты в 2002 году (на основе брифин­га сената США по нанотехнологии от 24 мая 2001 года и Национального Фонда Науки).

1998 1999 2000 2001

Финансовый год

Его электронная структура сильно отличается от таковой у образцов, имеющих на-нометровые размеры по двум измере­ниям и называющихся нанопроволоками. Квантовые точки имеют нанометровые размеры по всем трем измерениям. Зависимость элек­тронных свойств от размера приводит к существенным изменениям оптиче­ских характеристик нанообразцов, 8 наряду с влияни­ем уменьшения размера на колеба­тельные свойства материалов.

Второе наблюдение правительст­венной комиссии касается того факта, что этим полем деятельности занимается множество разных отраслей знаний. Работы по нанотехнологии можно найти как на университетских отделениях физики, химии, экологии, так и на отделениях инженерных дисциплин, таких как электротехника, механика, химическая тех­нология. Междисциплинарная природа этой области исследований несколько осложняет понимание и использование исследователями в одном из разделов нанонауки результатов, полученных в другом разделе. Как верно заметил Фейнман, биологические системы производят функционирующие наноустройства начиная с самого возникновения жизни, и мы можем почерпнуть из биологии много но­вых идей об их создании. Но как может физик-твердотельщик, занимающийся созданием наноустройств, но не видящий разницы между белком и аминокисло­той, искать идеи в биологических системах? Такие проблемы и побудили к появлению специальных публикаций, представляющих отдельные важные темы в нанотех­нологии, касающиеся различных дисциплин, таким образом, чтобы работающие над одним из разделов могли понять развитие других разделов. Для этого каждая глава предварена вводной информацией. Движущей силой нанотехноло­гии является понимание того, что наноструктурированные материалы могут иметь физику и химию, отличающуюся от объемных материалов. Главная цель понимание этих отличий и их причин. Для этих целей на­до знать основы физики и химии объемных материалов. Многие описываемые методы, например, сканирующая туннельная микроскопия, как ранее упоминалось, были разрабо­таны совсем недавно, и без этих методов нанотехнология не смогла бы добиться таких результатов. Область нанотехнологии слишком велика, касается слишком многих дисциплин и слишком быстро меняется для того. Потенциал практического использования наноструктурированных материалов безусловно является главной причиной по­вышенного интереса к предмету. Уже существует множество коммерческих при­менений разработок в этой области. Начато коммерческое использование гигант­ского магнетосопротивления наноструктурированных материалов. Наноструктурирование носителя для увеличения плотности записи на магнитную ленту в настоящее время активно изучается. Еще одна область повышенной активности — это приложение нанотехнологии к уменьшению размеров триггеров, являющихся базовыми эле­ментами компьютера. Потенциальное использование углеродных нанотрубок как основного элемента компьютерного триггера описывается. Приводятся данные исследований, направленных на получение молекулярных триггеров наноразмеров. Другая потенциальная область применения открывает­ся при использовании наноструктурирования для изменения механических свойств материалов. В обсуждаются материалы, полученные компактированием наноразмерных зерен. Их механические свойства существенно отличают­ся от однородного образца, например, повышается предел текучести. В большин­стве глав также описываются методы получения обсуждаемых наноструктуриро­ванных материалов. Создание широкомасштабных недорогих методов получения наноструктурированных материалов — это одна из наиболее сложных ключевых задач, стоящих перед нанонаукой, так как ее решение необходимо для технологи­ческого использования полученных результатов. Однослойные углеродные нанотрубки имеют огромное количество потенциаль­ных применений, простирающихся отдатчиков концентрации газов до триггеров в быстрых компьютерах. Однако для технологического воплощения этих идей еще необходимо придумать метод производства нанотрубок в больших количест­вах. Михаель Руке, работающий в области наноэлектромеханических устройств, сформулировал еще несколько проблем в сентябрьском выпуске Scientific Аmerican. Одна большая проблема относится к взаимодействию макро- и наноутройств. Например, собственная частота колебаний жесткого стержня увеличива­ется при уменьшении размеров стержня. Для наноразмеров частоты могут дости­гать 10 ГГц, а амплитуда колебаний лежать в диапазоне пикометров (10-¹²) или фемтометров(10-¹⁵). Сенсор должен быть способным обнаруживать такие малые смещения и работать на таких высоких частотах. Оптические отклоняющие систе­мы, подобные используемым в сканирующем туннельном микроскопе, не будут работать из-за дифракционного предела, становящегося про­блемой при приближении размера отражателя к длине волны отражаемого света. Другое существенное препятствие, которое необходимо будет преодолеть, состоит во влиянии поверхности на наноструктуры. У кремниевого стержня длиной 100 нм и толщиной 10 нм почти 10% атомов находятся в приповерхностном слое. Такое ко­личество приповерхностных атомов существенно повлияет на механические свойст­ва стержня (прочность, гибкость и т.д.), хотя и не вполне понятным ныне образом.