Лекция 4_5. Свойства веществ в наноразмерном состоянии Особенности

Лекция 4_5. Свойства веществ в наноразмерном состоянии Особенности свойств наноматериалов. Размерные эффекты Фуллерены, фуллериты, нанотрубки Квантовые ямы, квантовые проволоки, квантовые точки Основные области применения наноматериалов

Особенности свойств наноматериалов. Развитие нанотехнологии приблизилось к стадии, связанной с необходимостью её широкого применения и в первую очередь в электронике, в которой наметился переход от микро- к наноэлектронике. Это вполне естественно, поскольку производство в первую очередь стремится миниатюризировать свои изделия. Однако, свойства вещества при переходе в нанометровый диапазон измерений могут сильно изменяться вплоть до появления новых эффектов, не характерных для массивных тел. Связано это с тем, что размер наночастиц соизмерим с радиусом действия сил межатомного взаимодействия и они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой иначе, чем макротела. По сравнению с массивными твердыми телами изменяются: - параметры кристаллической решетки, - атомная динамика, - тепловые, - электронные - и магнитные свойства, - стабилизируются высокотемпературные фазы, не реализующиеся в обычных условиях. Все эти эффекты носят размерный характер и сильно зависят от состояния поверхности наночастиц, их взаимодействия друг с другом.

Наночастицами обычно считаются образования из связанных атомов или молекул с размерами  100 нм. Условная классификация атомных кластеров на основании их размеров и связь между размерами частицы количеством её составляющих атомов следующим рисунком 1. Кластер радиусом 1 нм содержит 25 атомов, причем большинство из них находится на поверхности кластера. Размер наночастицы от 1 до 100 нм.. Наночастицы состоят из 106 или меньшего числа атомов, их свойства отличаются от свойств тех же атомов, связанных в объемном веществе. В зависимости от силы межкластерного взаимодействия свойства наносистем могут сильно отличаться от свойств изолированных кластеров.

Размерные эффекты. Под размерными эффектами понимают явления в твердых телах, наблюдаемые в условиях, когда размеры исследуемого образца сравнимы с одной из характерных длин длиной свободного пробега, длиной волны электрона, диффузионной длиной и т.д. Различают два типа размерных эффектов: -классические или собственные и внутренние -внешний или квантовые. Внутренний связан со специфическими изменениями в объемных и поверхностных свойствах, как индивидуальных частиц, так и получаемых в результате их самоорганизации ансамблей. Эксперименты с внутренним размерным эффектом направлены на решение проблем электронных и структурных свойств кластеров. К таковым относятся: химическая активность, потенциал ионизации, энергия связи между атомами в частице и между частицами, кристаллографическая структура.

Квантовый размерный эффект характерен для малых кластеров (0,5-2 нм) и связан с дискретностью энергетического спектра электронов в кристалле, возникающей, когда характерные размеры системы оказываются сравнимыми с масштабом когерентности электронной волновой функции. Как следствие в нанокластерах наблюдаются явления скачкообразного изменения проводимости и магнитного момента при увеличении внешнего магнитного поля. Внешний или квантовый размерный эффект является размерно зависимым ответом на внешнее поле или действие сил, независимых от внутреннего эффекта.

Элементарная ячейка объемного алюминия Три возможные структуры кластера Al13: ГЦК, ГПУ и икосаэдрическая

Отношение длины осей с/а в тетрагональной элементарной ячейке наночастицы иридия в зависимости от диаметра наночастицы . Структурные изменения индиевых кластеров При размерах кластера больше 6,5 нм, что соответствует примерно 6000 атомов, кластер имеет тетрагональную ГЦК-решетку с отношением с/а, равным 1,075. В тетрагональной элементарной ячейке все ребра перпендикулярны друг другу, длинная ось обозначается как с, две коротких как а. Ниже 6,5 нм отношение с/а уменьшается и при 5 нм достигает единицы, то есть структура становится кубической.

Изменение структуры может отразиться на многих свойствах, в частности, на электронной структуре. Ниже приведены результаты вычислений по методу функционалов плотности некоторых электронных свойств частицы Al13. Заметим, что энергия связи, приходящая на один атом в Al13 , меньше, чем в объемном кристалле. У кластера Al13 один электрон на внещней оболчке не спарен. Добавление электрона заполняет оболчку, что приводит к заметному увеличению энергии связи в ионе Al13(-). Вычисленные энергии связи на один атом и межатомные расстояния для некоторых наночастиц алюминия в сравнении со значениями для объемного образца.

Изменение температуры плавления металлов в зависимости от размера частиц, по-видимому, один из первых эффектов, привлекших внимание многих исследователей. С уменьшением размера температура плавления может понижаться на несколько сотен градусов, а для золота при переходе от компактного металла, плавящегося при температуре 1340 К, к частицам размером 2 нм температура плавления уменьшается на 1000 градусов. d частицы, нм Температура плавления Зависимость температуры плавления золота от размера частиц: точки – эксперимен-тальные данные; сплошная линия - рассчитана по уравнению (1) при  = 1,6, h = 0,204 нм

Согласно представлениям Линдемана, кристалл будет плавиться, когда среднеквадратичное смещение атомов  в кристалле становится больше доли внутренних атомных расстояний а:/а  const. = S/ (1) Для описания свойств наночастиц предложено уравнение , (2) где Tm(r) и Тт() — температуры плавления нанокристалла и компактного металла соответственно, К; h соответствует высоте монослоя атомов в кристаллической структуре. Критерии Линдемана

Зависимость температуры плавления индия от размера частиц: точки - экспериментальные данные, сплошные линии рассчитаны по уравнению (1); 1 - индий в матрице алюминия,  = 0,57; 2,3,4 - индий в матрице железа,  = 2,0; 3,03; 4,04 соответственно

Схема поверхностной релаксации грани (100) кристалла хлорида натрия (а); равновесная конфигурация первых пяти слоев (б). Зависимость поверхностной энергии для грани (100) хлорида натрия от числа релаксирующих слоев.

а - Атомная модель наноструктурного материала - черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10 % от межатомных расстояний; б – Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия) .

Пример изменения уровней энергии металла при уменьшении количества атомов: (а) — валентная зона объемного металла; (б) — в большом кластере из 100 атомов возникает запрещенная зона; (в) — маленький кластер, состоящий из трех атомов. Маленький кластер аналогичен молекуле с ее дискретным набором энергетических уровней, связывающими и антисвязывающими орбиталями. Электронная структура и оптические свойства

Вычисления энергии возбужденных состояний наночастиц В6, В8 и В12 по методу функционалов плотности. Индуцируемые светом переходы между нижним и вышележащими уровнями определяют цвет наночастицы

Изменение цвета от размера наночастиц металла

УФ фотоэлектронный спектр валентной зоны наночастиц меди из 20 и 40 атомов

Зависимость измеренных значений электронного сродства меди от размеров наночастицы

Спектр оптического поглощения водородоподобных переходов экситона в Сu2О. Полупроводниковые наночастицы Оптические свойства Возможны две ситуации, называемые режимами слабой и сильной локализации. 1.В режиме слабой локализации радиус частицы больше радиуса экситона, но область перемещения экситона ограничена, что приводит к смещению спектра поглощения в голубую сторону. 2. Когда радиус частицы меньше радиуса орбиты электрон-дырочной пары, движение электрона и дырки становятся независимыми и экситон перестает существовать.

Спектр оптического поглощения наночастиц CdSe размером 2 нм и 4нм Электрон и дырка имеют собственные наборы энергетических уровней. Это также приводит к голубому смещению и к возникновению нового набора линий поглощения. Показан спектр поглощения наночастиц CdSe двух разных размеров, измеренный при температуре 10 К. Наименьшая энергия поглощения, называемая границей поглощения, сдвигается в сторону больших энергий при уменьшении размеров наночастицы. Так как граница поглощения возникает из-за наличия щели, это означает, что щель увеличивается с уменьшением частицы

Влияние размера наночастиц полупроводников на их оптические свойства в – спектры люминесценции коллоидных растворов наночастиц CdSe в ацетонитриле (R, нм: 1 - 2,5; 2 - 3,3; 3 - 3,7; 4 - 4,2) а - спектры поглощения наночастиц CdSe различных размеров (R, нм: 1-2,1; 2-2,2; 3-2,7; 4-3; 5-4) б- зависимость энергии максимума поглощения наночастицы CdSe от ее радиуса;

Влияние размера ширины частицы на линии плазмона серебра

На свойства наночастиц металлов влияет эффект, связанный с изменением длины связи. В кластерах металлов, как правило, наблюдается уменьшение межатомных расстояний по сравнении компактными металлами. Этот эффект, выражаемый как R/R,где R — радиус частицы, наиболее сильно проявляется в малых частицах. Например, в кластерах родия величина R/R составляет для Rh2 - 17 %, для Rh3 - 10,9% , для Rh4 - 7,4 %, для Rh12 - 4,0% Значение межатомных расстояний непрерывно снижается с уменьшением размера частицы и составляет 90 % значения в компактном металле для частицы размером 1 нм . Постоянная решетки соответствует значению для компактного металла, когда размер кластера платины достигает 3 нм. Аналогичные эффекты наблюдались на тонких пленках алюминия для частиц тантала и палладия. Сильные изменения постоянной решетки от размера должны оказывать влияние на химическую активность наночастиц. Для реагирующих систем диффузия между частицами и межатомные расстояния имеют не меньшее значение, чем размер частицы или ее морфология, и также должны контролироваться.

Зависимость постоянной решетки и межатомных расстояний частиц платины на Al2O3-NiAl от размера: горизонтальные линии отражают длину и ширину частиц, вертикальные — ошибку измерения

Реакционная способность Установка для получения наночастиц металлов лазерным испарением атомов с поверхности

Масс спектры наночастиц алюминия до (слева) и после (справа) воздействия газообразного кислорода.

Скорость реакции газообразного водорода с наночастицами железа в зависимости от размеров частиц

Таким образом, обобщая все рассмотренное нами выше можно заключить, что по своим физическим и химическим свойствам наночастицы существенно отличаются от макрочастиц, что обычно объясняют размерными эффектами. Под размерными эффектами следует понимать комплекс явлений, связанных с изменением свойств вещества вследствие изменения размера частиц, его образующих. По мере уменьшения размера частиц понижается общее число атомов N в их объеме и возрастает доля поверхностных атомов S = Nnoв/Noб, где Nnов, Noб - число атомов на поверхности и в объеме частицы соответственно. Для сферических частиц S = 4/N1/3. Расчеты приводят к следующим результатам: N 106 105 104 103 102 S, % 4 9 19 40 86 Доля поверхностных атомов резко возрастает при уменьшении общего числа томов в частице ниже уровня 104-105 атомов. Это соответствует размеру частиц d  10 нм.

Обсуждая понятие «наночастица», примем во внимание также ее мерность. Различают трех-, двух- и одномерные наночастицы. Трехмерные (объемные) наночастицы имеют все три размера в наноинтервале. К ним относятся, например, сферические частицы. У нитевидных кристаллов (волокон) поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика. У нанопленок или нанослоев только один размер (толщина) находится в наноинтервале, а два других могут быть сколь угодно большими. Особые свойства проявляются у наночастиц любой мерности, но их геометрия (мерность пространства) влияет на характер зависимостей, определяемых размерными эффектами: при разной мерности наночастиц для них могут проявляться законы кубов, квадратов или линейные зависимости.

Размерные эффекты затрагивают структурные и фазовые переходы, приводят к изменению термодинамических, электронных и многих других свойств веществ, к возрастанию их химической и каталитической активности. У наночастиц появляется зависимость параметра кристаллической решетки от размера частиц. Можно ожидать, что за счет асимметричного действия межатомных сил на поверхностные атомы уменьшится параметр кристаллической решетки в направлении, перпендикулярном поверхности. Действительно, период решетки Al уменьшается у наночастиц до 0,402 нм, в то время как у массивного образца он ранен 0,405 нм. Аналогичные зависимости обнаружены для Ag, Au, Pt. Однако в общем случае зависимость параметров кристаллических решеток от размера наночастиц носит более сложный характер. Например, период кристаллической решетки СеО2, при сокращении размера наночастиц не уменьшается, а, наоборот, увеличивается. Для некоторых наносистем эта зависимость осложняется за счет структурных превращений. Зависимости параметра кристаллической решетки СеО2 (б) от диаметра частиц

При уменьшении размера наночастиц, сопровождающемся увеличением их поверхностной энергии, отмечается переход от менее плотных к более плотным кристаллическим решеткам, нередко стабилизируются высокотемпературные фазы и даже могут возникать такие фазы, которые вообще не характерны для данного вещества в массивном состоянии. Так, уменьшение диаметра частиц Gd, Tb, Dy, Er, Eu, Yb ниже 5 нм вызывает структурное превращение - переход от гексагональной плотнейшей упаковки к гранецентрированной кубической решетке. В наночастицах железа стабилизируется высокотемпературная фаза -Fe. В некоторых системах следствием размерных эффектов может быть потеря кристалличности и появление аморфных фаз (Fe, Cr, Cd, Se).

Учитывая размерные эффекты, можно утверждать, что размер наночастиц является активной переменной, определяющей состояние системы. Поэтому представляется необходимым ввести в известные диаграммы состояния «состав—свойство» третью координату - «дисперсность наночастиц». Но такой шаг был бы явно преждевременным, т. к. «дисперсность наночастиц» не является независимой координатой. На характер наблюдаемых зависимостей может повлиять, например, взаимодействие наночастиц с окружающей средой. Несмотря на большое число неопределенностей в термодинамике наносистем, в ближайшее время следует ожидать дальнейшего углубления этой области знаний в соответствии с бурным развитием экспериментальных исследований.

Состояние электронов в изолированной молекуле, наночастице и кристаллическом полупроводнике Результатом появления дискретных электронных полос становится проявление одноэлектронных переходов. Поскольку для наночастиц малых размеров электростатическая энергия электрона, удерживающая его на дискретном энергетическом уровне, становится больше его тепловой кинетической энергии kБT, где kБ - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, то для возбуждения электрона необходима дополнительная энергия.

Пример Валентные электроны металлов делокализованы и образуют энергетическую зону. В металлических наночастицах малых размеров происходит расщепление энергетической зоны и формируются дискретные энергетические уровни. Оценим среднее расстояние между энергетическими уровнями  в зависимости от числа атомов в наночастице и определим предельное число атомов в наночастице N, ниже которого электростатическая энергия электрона становится выше тепловой кинетической энергии kБТ. Решение. Среднее расстояние между энергетическими уровнями  можно оценить, используя выражение (2) где ЕF - энергия уровня Ферми. Для металлов EF = 10 эВ. Подставляя в выражение (2) разные значения N, получаем зависимость  от N.. При комнатной температуре (298 К) тепловая кинетическая энергия kБT ~ 0,025 эВ. Если  = кБТ, то согласно выражению (2) . (3) Такое число атомов имеет наночастица диаметром примерно 2 нм. Следовательно, для металлических наночастиц меньшего размера должны проявляться квантоворазмерные эффекты. Ответ. Результаты расчета показывают, что квантоворазмерные эффекты должны проявляться у металлических частиц, размер которых меньше 2 нм. Комментарий. Экспериментальные данные подтверждают, что квантоворазмерные эффекты начинают проявляться у частиц при достижении ими размера 2-8 нм. Зависимость  от N для металлических наночастиц

Основные физические причины специфики наноматериалов

Почему же это происходит? Для металлов важно появление металлических свойств в зависимости от размера частицы. Так, для кластеров ртути постепенный переход металл - изолятор наблюдается  102 атомов. Квантово-размерные эффекты обусловлены необычными спектрами энергетических уровней электронов, которые располагаются дискретно или квантованно. При образовании димера уровень энергии атома расщепляется на два компонента. С увеличением размера кластера уровни продолжают расщепляться и, наконец, сливаются в квазинепрерывное поглощение твердого вещества. Полосы начинают наполняться электронами, появляется уровень Ферми, и возникает проводимость. Диаграмма энергетических уровней атомов димеров, кластеров и компактных материалов

Схема уровней атомов натрия и компактного металла; IP — потенциал ионизации; W — работа выхода; Е — энергия Ферми, пунктирные линии — расщепление уровней Одновременно потенциал ионизации атомов и молекул превращается в функцию работы выхода компактного металла. Расщепление одноэлектронных уровней энергии Е приблизительно соответствует ширине квазиполосы кластера Е, разделенной на число уровней N, т. е. Е = E/N. Для металлов значения Е энергии уровня Ферми Еf обычно одного порядка и составляют около 5 эВ. Следовательно, расщепление уровней энергии Е на величину около 50 мэВ будет| иметь место в кластере, состоящем из 100 атомов.

В таком случае энергетические уровни могут быть получены путем рассмотрения квантовой задачи о частице в потенциальном ящике. Это называется квантовым размерным эффектом. Появление новых электронных свойств можно понять в терминах принципа неопределенности Гейзенберга, утверждающего, что чем лучше электрон локализован в пространстве, тем шире будет диапазон его импульса. Средняя энергия будет определяться не столько химической природой атомов, сколько размером частицы. Интересно отметить, что квантовый размерный эффект появляется в полупроводниках при бо'лыпих размерах, чем в металлах, из-за большей длины волны электронов и дырок в полупроводниках. В полупроводниках длина волны может достигать микрона, в то время как в металлах она составляет порядка 0.5 нм. В конце концов, можно уменьшить кластер до размеров, при которых расстояние между противоположными гранями приблизится к длине волны электрона.

Необходимо также учитывать, что на физико-химические свойства наносистем большое влияние оказывает поверхность системы. При размере d =10 нм частица содержит 104-105 атомов, из которых 2-5% находятся на поверхности и вносят существенный вклад в физико-химические свойства. Вблизи поверхности межплоскостные расстояния в направлении перпендикулярном к поверхности, меньше, чем в объёме кристалла. По данным прецизионных электронно-микроскопических исследований область, в которой происходит заметное изменение параметра решётки, ограничивается пятью-шестью атомными плоскостями. Динамические свойства атомов нанокристаллов сильно изменяются: увеличивается их подвижность и возникает асимметрия колебаний. Как следствие в нанокластерах наблюдается понижение температуры плавления, увеличение теплоёмкости и пластичности а - Атомная модель наноструктурного материала - черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10 % от межатомных расстояний; б – Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия). а а б б

Значительное понижение температуры плавления с уменьшением размера частиц металла может отражаться на их активности и селективности. Действительно, в последнее время обнаружена высокая реакционная способность наноразмерных частиц золота. Золото ранее не использовалось в катализе, однако на его наночастицах осуществлен ряд химических превращений. Наночастицы золота активны в низкотемпературном горении, окислении углеводородов, гидрировании ненасыщенных соединений, восстановлении оксидов азота. Ещё одним важным следствием большого вклада поверхностных атомов в свойства вещества является повышение его химической активности: увеличение удельной площади поверхности оксидов влияет на их функциональные свойства, связанные с процессами адсорбции. У поверхностных атомов задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов, находящихся на выступах поверхности, ненасыщенность связей еще выше. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена типа решетки.

Зависимость оптических свойств полупроводниковых нанокристаллов от их размеров открыла возможности для их использования в качестве новых строительных блоков в оптоэлектронике и инженерии. В свою очередь это стимулировало разработку синтеза полупроводников с контролируемым размером. Развиты методы воздействия на размерные и оптические свойства нанокристалов полупроводников путем создания неорганической оболочки или легирования. На оптические свойства полупроводников также можно воздействовать, компенсируя поверхностные дефекты введением органических молекул. Недавно предложен кинетический контроль оптических свойств 3,3 нм нанокристаллов CdTe, основанный на модификации поверхности 1-декантиолом

Другим аспектом является тот факт, что свободная поверхность является местом сосредоточения (стока) кристаллических дефектов. При малых размерах частиц их концентрация заметно возрастает за счет выхода большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. Установлено, что процессы деформации и разрушения протекают, в первую очередь, в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, что во многом определяет механические свойства (прочность, пластичность). Следующей причиной специфики свойств наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллитов в наноматериалах. Экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием высокой концентрации зернограничных дефектов. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений. В тоже время границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дефекты. Неравновесность границ зерен вызывает возникновение искажений кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери упорядоченности. Результатом является значительное повышение микротвердости.

Важным фактором, действующим в наноматериалах, является также склонность к появлению кластеров (скоплений атомов, молекул и т.д.). Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, а также наличие сил притяжения между ними, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур. Этот эффект уже используют для создания упорядоченных наноструктур в оптике и электронике. Еще одну причину специфики свойств наноматериалов связывают с тем, что при процессах переноса (диффузия, электро- и теплопроводность и т.п.) имеет место некоторая эффективная длина свободного пробега носителей этого переноса Le. При переходе к размерам меньше Le скорость переноса начинает зависеть от размеров и формы и, как правило, резко возрастает. В качестве Le. может выступать, например, длина свободного электрона. Для материалов с размерами кристаллитов в нижнем нанодиапазоне D < 10 нм появляется возможность проявления квантовых размерных эффектов. Такой размер кристаллитов становится соизмеримым с длиной дебройлевской волны для электрона: λB ~ (meE)-1/2, где me – эффективная масса электрона, E – энергия Ферми. Квантовые эффекты будут выражаться, в частности, в виде осциллирующего изменения электрических свойств, например, проводимости или появления стационарных энергетических состояний электронов.

Фуллерены, фуллериты Фуллереновые молекулы: а) C60, б) C70, в) фуллериты. Фуллерены являются яркими представителями размерных эффектов. Фуллерены представляют собой замкнутые молекулы углерода, в которых все атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Фуллерены отличаются необычной кристаллографической симметрией и уникальными свойствами. Все ковалентные связи у них насыщены, поэтому отдельные молекулы между собой могут взаимодействовать только посредством слабых сил Ван-дер Ваальса. Однако последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры. Такие материалы называются фуллеритами. Стабильные молекулы характеризуются цепными конфигурациями, формирующимися из пяти- и шестичленных колец.

Нанотрубки Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а) «матрешка», б) «сверток», в) атомарная структура однослойной нанотрубки. в) Поверхность нанотрубок образована, как и в случае фуллеренов, из шестиугольников, в вершинах которых располагаются атомы углерода. Получают углеродные нанотрубки, как с металлическим типом проводимости, так и с заданной шириной запрещенной зоны. Соединение двух таких трубок будет образовывать диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора. Набор нанотрубок с заданным внутренним диаметром может служить основой для создания молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости. Композиционные материалы с использованием углеродных нанотрубок будут иметь весьма важное значение в качестве защитных экранов от излучения и других важных конструкционных материалов ответственного назначения.

Квантовые ямы, квантовые проволоки, квантовые точки Технология формирования тонких пленок, основанная на методах физического или химического осаждения в вакууме, позволяет получать пленочные наноструктуры малой толщины (до нескольких атомных слоев). Малая толщина пленок Высокая подвижность осаждаемых на подложку атомов в плоскости осаждения. В результате быстрой диффузии по поверхности, иногда дополнительно стимулируемой ионным облучением, более полно реализуется склонность наноструктур к образованию кластеров. Такие сверхмалые по размерам скопления обладают достаточно выраженными квантовыми свойствами были приняты названия«квантовые ямы», «квантовые точки». Выделение кластеров носит признаки самоорганизации. Появляется возможность создания упорядоченной структуры из квантовых ям или точек. Такую сложную структуру можно получить, например, при чередовании процессов напыления активного материала, при котором имеет место самоорганизация структуры квантовых точек, и процессов напыления слоев более инертного материала

.Изображение квантовых точек в слоях InAs, расположенных между слоями GaAs, полученное с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии. Такие структуры могут использоваться как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и т.п. Изображение поверхности слоя GaN на сапфировой подложке. Пленочные технологии позволяют создавать не только нанопроволоки или нановолокна, но и «коврово-образные» наноструктуры с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты.

Конструкционные материалы Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использования в настоящее время – это получение высокопрочных и износостойких материалов. Так прочностные свойства увеличиваются по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а вязкость – либо уменьшается очень незначительно, либо возрастает, особенно, в случае керамических наноматериалов. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов. Инструментальные материалы Инструментальные сплавы с нанозерном являются, как правило, более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков.

Производственные технологии Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление тугоплавких нанопорошков к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Очень большая удельная поверхность нанопорошков способствует их применению в качестве катализаторов в ряде химических производств. Износостойкие материалы Металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB2-MoS2 c твердостью 20 ГПа и очень малым коэффициентом трения скольжения. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей, фторопластовые для уменьшения трения.

Электронная техника Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов) делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы из магнито-мягких сплавов используют для считывания информации с магнитного носителя, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы. Высокие значения коэрцитивной силы ряда наноматериалов делают перспективным их использование в качестве постоянных магнитов. Углеродные нанотрубки, покрытые слоем атомов железа, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа SmxCoy применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe0,3Co0,7 диаметром 50 нм.

Защита материалов Для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами. Медицина и биотехнологии Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – для изготовления имплантантов, протезов и травматологических аппаратов. Причиной является сочетание высоких механических свойств с высокой биологической совместимостью с тканями организма. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому они перспективны для использования в узлах биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях). Военное дело Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий самолетов, созданных с применением технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем и электроники противника (т.н. «графитовая бомба»).