Курс лекций Физические основы нанотехнологий Преподаватель профессор кафедры

Курс лекций Физические основы нанотехнологий Преподаватель: профессор кафедры физической электроники и нанотехнологий Гайдук Петр Иванович Лекции 1 и 2 - Введение в курс - Наноматериалы 1

Курс лекций «Физические основы нанотехнологий» Целью изучаемой дисциплины является формирование систематизированных фундаментальных физических знаний, необходимых специалистам, работающим в области нанотехнологий. В задачи изучаемой дисциплины входит: - формирование представлений об основных направлениях развития современной нанотехнологии, о материалах и методах нанотехнологий, квантовых приборах и устройствах. - изучение основных технологических процессов, с помощью которых в настоящее время создаются наноразмерные элементы и структуры, - освоение методов синтеза наноразмерных объектов и контроля их параметров, формирование навыков работы с инструментарием нанотехнологий. Курс «Физические основы нанотехнологий» относится к одной из наиболее быстро развивающихся отраслей знаний и базируется на достижениях квантовой теории, физики твердого тела, физики полупроводников. Курс рассчитан на студентов, получившим знания в объеме курса Общей физики (1 -2 курс), а также по дисциплинам «Физика твердого тела» , «Физика полупроводников» , и «Химия твердого тела» (3 курс). Программа дисциплины рассчитана на 96 часов; аудиторное количество часов – 64, из них: лекции – 32 часа, лабораторные занятия – 32 часа. 2

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА Введение в курс. Цель и задачи курса. Основные понятия и определения. История и тенденции развития микро- и нанотехнологий. Закон Мура. Эффект размерного квантования (квантовые точки, проволоки, ямы). Наноматериалы. Классификация наноматериалов. Наночастицы и нанокластеры. Фуллерены. Нанотрубки и нанопроволоки. Пористые вещества. Дисперсии. Структурированные поверхности и пленки. Наноструктуры на основе полупроводниковых соединений. Инструментарий для исследования наноструктур. Электронная просвечивающая микроскопия. Электронная сканирующая микроскопия. Полевая ионная микроскопия. Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Близкопольная сканирующая оптическая микроскопия. Зондовая нанотехнология (нанолитография). Методы формирования наноструктур. Технология «сверху-вниз» и «снизу-вверх» . Зародышеобразование в объеме и тонких пленках. Термодинамическая теория зародышеобразования. Молекулярно-кинетическая теория зародышеобразования. Распад пересыщенных твердых растворов. Методы формирования пересыщенных растворов. Гомо- и гетероэпитаксия. Механизмы гетероэпитаксиального роста: Франка-ван-дер-Верме, Фольмера-Вебера, Странски-Крастанова. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). Осаждение из паровой фазы (CVD). Получение аморфных, поликристаллических и монокристаллических пленок. Процессы самоорганизации. Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. Основные свойства самоорганизующихся систем. Проблема подложек и использование буферных слоев. Самоорганизованный рост квантовых точек по механизму Странского. Крастанова. Использование профилированных и упруго-деформированных подложек. Трехмерные массивы когерентно -напряженных островков. Периодические структуры плоских доменов. Структуры с периодической модуляцией состава в эпитаксиальных пленках твердых растворов полупроводников. Преобразование планарных напряженных гетероструктур в трехмерные, имеющие радиальную симметрию (самоорганизация нанотрубок). Субмикронные ионно-лучевые технологии. Ионный синтез наноструктур на поверхности и в объёме полупроводников. Формирование нанокристаллов кремния и германия в диэлектриках при ионной бомбардировке. Процессы самоорганизации наноструктур при ионном синтезе. Анизотропное распыление поверхности полупроводниковых материалов при воздействии ионных пучков. Нанокластеры. Кластеры и их свойства. Методы получения кластеров, магические числа. Методы модификации кластеров. Области применения кластеров. Углеродные наноструктуры. Структуры на основе углерода. Получение углеродных наноструктур. Физические свойства углеродных наноструктур. Химические свойства углеродных наноструктур. Электрические свойства углеродных наноструктур. Фотонные кристаллы. Оптические сверхрешетки. Дифракция на одномерной, двумерной, трехмерной сверхрешетке. Зонная теория. Оптоэлектроника, возможности оптического компьютера. Получение фотонных кристаллов. Применение фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы в природе. Наноэлектроника. Электронные приборы на основе нанообъектов. Приборы на основе одноэлектронного туннелирования. Резонанснотуннельный диод. Нанокомпьютеры. Квантовая оптоэлектроника. Полупроводниковые светоиоды и лазеры на основе гетероструктур с квантовыми ямами и точками. Микро- и нано-электромеханические системы. Общие принципы, классификация. Молекулярные двигатели и коммутационные устройства. Мембранные силовые элементы. НЭМС на основе углеродных нанотрубок. Нанопереключатели. Приборы памяти на основе НЭМС. Области применения. Нанопокрытия. Катализаторы и фильтры. Применение углеродных нанотрубок Химические и биохимические сенсоры. Вычислительные системы. Приборы на основе эмиссии электронов из углеродных нанотрубок. Нанотехнологии в биологии, медицине и пищевой промышленности. Нанотехнологии, используемые при производстве бытовых товаров. Нанотехнологии в военном деле. 3

Основная литература Пул Ч. , Оуенс Ф. Нанотехнологии. -М. : Техносфера, 2005. -328 с. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. M. : Техносфера, 2008. - C. 352. К. Жоаким, Л. Плевер. Нанонауки. Невидимая революция. — М. : Ко. Либри, 2009. Игнатов А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника. Учебное пособие. - M. : Лань, 2011. - C. 544. Борисенко В. Е. , Воробьева А. И. Учебное пособие по курсу «Нанотехнология» . – Мн. : БГУИР, 2003. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. Лучинина В. В. , Таирова Ю. М. – М. : Физматлит, 2006. - 552. И. П. Суздалев. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Изд-во: "Либроком", 2009, 592 стр. Самоорганизованные наноразмерные структуры на поверхности и в объеме полупроводников // Н. Н. Герасименко, К. К. Джаманбалин, Н. А. Медетов, Изд-во «LEM» , 2002 Драгунов В. П. , Неизвестный В. А. , Гридчин В. А. . Основы наноэлектроники: Учебное пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. -332 с Дьяконов В. П. , Афонский А. А. Электронные измерения в нанотехнологиях и микроэлектронике. - Изд-во: ДМК, 2011. - С. 688 Дополнительная литература Х. Кейси, М. Паниш. Лазеры на гетероструктурах, т. 1 и 2, М. , Сов. радио, 1981. Ж. И. Алферов. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //ФТП. -1998. - Т. 32, № 1. - с. 3 -18. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. -М. : Техносфера, 2003. -336 с. Марк Ратнер, Даниэль Ратнер Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи — М. : «Вильямс» , 2006. — С. 240. Л. Ченг, К. Плог. Молекулярно-лучевая эпитаксия. М. : Мир, 1989. 4

Нанотехнологии: место среди других наук волос пылевой клещ человек Биология НАНОТЕХНОЛОГИИ Химия, атомная и ядерная физика атомы континент Социальные науки Земля Геология планеты Астрономия клетка Можно заставить наномир работать на нас !!! 5

• Микроскопическими ( «micro» – маленький) называют объекты, размер которых лежит в диапазоне 1 -100 мкм. Приставка микро миллионная часть. 1 мкм = 10 -6 м или 0, 0001 см. Биологическая клетка, эритроцит крови и т. д. – это объекты микромира. Примеры технологий микромира -- получение ИС, генная модификация… • Нанометровыми называют объекты размером от 1 до 100 нм. Приставка нано (от греч. nannos – карлик) одна миллиардная часть. 1 нм = 10 -9 м. Атомы, малые молекулы – р-р порядка от 0, 1 до 1 нм. На этом уровне стираются границы между такими науками, как физика, химия, биология. Под термином «нанотехнологии» понимают создание и использование материалов, устройств и систем с характерными нанометровыми размерами. Нанотехнологии позволяют работать с объектами атомного и молекулярного масштаба. 6

История и тенденции развития микро- и нанотехнологий Нанотехнологии являются продолжением современных микроэлектронных, оптических, биологических и других технологий. В истории развития человечества можно выделить несколько важных исторических этапов, связанных с освоением новых материалов и технологий. Первая НТ революция – индустриальная или энергетическая – получение Д. Уаттом в 1769 году основного патента на паровой двигатель, который резко увеличил производительность труда. Продукты технологии связаны с макромиром. Вторая (информационная) НТР началась в 60 -х годах XX века вместе с развитием микроэлектроники. Автомобили, станки и приборы оставались макроскопическими телами (так как единицей масштаба служат размеры человеческого тела), но управляющие элементы, устройства для передачи и приема информации становились все сложнее, а составляющие их единицы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления) – все миниатюрнее. Вторая научно-техническая революция связана с кремниевыми технологиями, реализованными на микроуровне. Ближайшие десятилетия станут эпохой нанотехнологий – третьей научнотехнической революцией. Как заявил известный американский физик Э. Теллер: «Тот, кто раньше других овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере XXI века» . 7

Циклы Кондратьева (К-циклы или К-волны) — периодические циклы современной мировой экономики продолжительностью 40 -60 лет. 1 цикл — с 1803 до 1843 гг. — Текстильные фабрики, промышленное использование каменного угля. 2 цикл — с 1844 до 1890 гг. — Черная металлургия, железнодорожное строительство, паровой двигатель. 3 цикл — с 1891 до 1945 гг. — Тяжелое машиностроение, электроэнергетика, неорганическая химия, производство стали и электрических двигателей. 4 цикл — с 1945 до 1981 гг. — Массовое производство автомобилей и других машин, химической промышленности, нефтепереработки и двигателей внутреннего сгорания. 5 цикл — с 1981 до ~2018 г. (прогноз) — Развитие электроники, робототехники, вычислительной, лазерной и телекоммуникационной техники. 6 цикл — с ~2018 до ~ 2060 (прогноз) — конвергенция (конвергенция нано-, био-, информационных и когнитивных технологий). После 2030 -х (2050 -х по другим данным) возможно наступление технологической сингулярности, которая не поддается на данный момент анализу и прогнозу. Если эта гипотеза верна, то циклы Кондратьева могут оборваться ближе к 2030 году 8

9

ая ск ги ер на но те хн ол о ью т мп ко ав то че на я ль мо би жн ор о жд те кс ти ль на ая я Ещё одна революция? промышленная революция информационная революция 10

История развития п/п электроники и микроэлектроники Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, передачи, обработки и хранения информации. 1) Дискретная электроника на электровакуумных приборах. 2) Дискретная электроника на транзисторах (с 1948 г. , изобретен тр-р – (Бардин, Бреттейн, Шокли). Сварные Сплавные Диффуз. /имплантац. 3) Интегральные схемы (ИС) по планарной технологии МИС(1957 г. ) - ИС(1965)- БИС(1975)- СБИС(1980)- УБИС (1990) 4) Функциональные микросхемы, приборы, узлы. Производится интеграция не столько элементов, но и физических явлений и свойств. 11

Микроэлектроника - область электроники, занимающаяся проблемами конструирования, изготовления и применения ИС История микроэлектроники (этапы развития) 1)1948 – открытие транзисторного эффекта и изобретение бип. транзистора (Шокли, Барин, Бреттейн). 2)1957 -58 -разработка планарной технологии + групповой метод + литография. Разработка планарной технологии базировалось на: (а) локальном легировании (1957); (б) фотолитографии (1958) и (в) применении Si. O 2 для защиты p-n-переходов от окружающей среды и в качестве маски в литографии и др. (1958). Первый точечный сварной биполярный транзистор (конец 40 -х годов XX столетия), и его разработчики: W. Shokley, J. Bardeen, W. H. Brattain 12

(б) Первая интегральная схема (ИС) – (1958) Kilby, Texass Instruments (TI). (в) Современная ИС (процессор Intel i 7 Nehalem) с ядром 45 нм. Включает: 4 cores (ядра), 8 MB L 2 cash, интегрированный контроллер памяти, DDR 3 I/O и QPI I/O. 13

Закон Мура. В 1965 году, один из основателей корпорации Intel Гордон Мур, предсказал экспоненциальное увеличение (удвоение каждые 18 -24 месяца) кол-ва транзисторов в микросхемах (Moore G. E. Cramming more components onto integrated circuits / / Electronics. – 1965. – Vol. 38, № 8. – Р. 114– 117). Выполнение этого эмпирического «закона Мура» подтверждено более чем 40 -летней историей развития микроэлектроники. полезные мелочи ( нитки, булавки, чашки и т. п. ) косметика «Второй закон Мура» (1998 г. , Юджин Мейеран): экспоненциальный рост стоимости фабрик по производству микросхем (вместе с усложнением микросхем). § Стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила ИМС динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $. § Фабрика по производству микропроцессора Пентиум по 0, 6 микронной технологии c 5, 5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. § Стоимость завода Fab 32, по производству процессоров на базе 45 -нм техпроцесса, составила 3 млрд. $. Если бы Боинг 747 прогрессировал с такой же скоростью, что и электроника, то он умещался бы в спичечном коробке и облетал бы без дозаправки земной шар 40 раз. 14

«Закон Мура» скоро умрет? -- По словам официальных представителей Intel, в 2012 г. полупроводниковая индустрия перейдет на технологический процесс с топологическим уровнем 10 и менее нанометров. При этом сделать это смогут только крупные производители в связи с дорогостоящей модернизацией оборудования. Как прогнозируют в Intel, после перехода на 10 -нм топологию перестанет работать «закон Мура» об удвоении числа транзисторов в микросхеме каждые 2 года. -- По рассчетам специалистов i. Suppli, уже к 2014 году закон Мура перестанет определять развитие полупроводниковой отрасли. -- Это не первые попытки различных специалистов предсказать будущее самого известного в индустрии высказывания, однако до сих пор ни один из прогнозов не выполнился. На данный момент наиболее достоверным является мнение автора закона – Гордона Мура, одного из основателей Intel. В 2007 году он предположил, что его гипотеза будет верна еще как минимум 10 лет, а затем производство транзисторов зайдет в тупик в силу атомарной природы вещества и ограничения скорости света. 15

16

Там, внизу, полно места !!! There’s plenty of room at the bottom Р. Фейнман (1959) 17

Почему «нанотехнологии» - это интересно? бактериофаг Частица Au, окружённая более мелкими Вирус гриппа Наномир живёт внутри нас и работает на нас !!! Мозаика из 118 С 60 нм

19

Нанотехнологии: между физикой, химией и биологией специалисты по информатике и компьютерам инженеры-электроники инженеры-механики физики химики нанообъекты биологи «материалисты» 20

Виды НАНО-патентов в бюро патентов США 21

Распределение НАНО-патентов в бюро патентов США по технологиям Биотехнологии и медицинские препараты Электроника Химия и материаловедение Механотехнологии 22

Распределение НАНО-патентов в бюро патентов США по предмету изобретения Изготовление, обработка и обнаружение наноструктур Способы применения наноструктур Математические алгоритмы, например, специально адаптированные для моделирования наноструктур Наноструктуры 23

Что будет с Что будет? нанотехнологиями? Предсказывать тяжело…, особенно, будущее…. Нильс Бор Билл Гейтс 640 кб памяти будет более, чем достаточно каждому. (1982) Томас Уотсон, IBM (1874 -1956) Несколько компьютеров будет вполне достаточно для общества 24

25

Эффект размерного квантования Квантово-размерный эффект — эффект связанный с квантованием энергии носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух или трёх направлениях. При ограничении бесконечного кристалла потенциальными барьерами или при создании границ возникают дискретные уровни квантования. Наблюдение квантово-размерного эффекта возможно только если хотя бы один из размеров кристалла достаточно мал. Примером квантово-размерного эффекта может служить двойная гетероструктура Al. Ga. As/(~10 nm Ga. As)/Al. Ga. As с двумерным электронным газом. Принцип неопределённости Энергия размерного квантования является следствием принципа неопределённости в квантовой механике. Если частица ограничена в пространстве в пределах расстояния L (допустим ограничен вдоль направления z), неопределённость zкомпоненты ее импульса возрастает на величину порядка ħ/L. Соответствующее увеличение кинетической энергии частицы дается выражением где m * — эффективная масса частицы. Кроме увеличения минимальной энергии частицы квантовый размерный эффект приводит также к квантованию энергии её возбуждённых состояний. Энергии возбуждённых состояний для бесконечного одномерного потенциала прямоугольной ямы выражаются как En = ΔEn 2, где n = 1, 2, 3, … 26

27

Полупроводниковые сверхрешетки (СР) Нобелевские премии: 1973 год – Л. Есаки, И. Живер (резонансное туннелирование); 1985 год – К. Клитцинг (квантовый эффект Холла); 1998 год – Р. Лафлин, Х. Штёрмер, Д. Тсу (дробный квантовый эффект Холла); 2000 год - Ж. Алферов, Г. Кремер, Д. Колби (полупроводниковые гетероструктуры для опто-электроники); 2007 год - А. Ферт, П. Грюнберг (гигантское магнетосопротивление). Эффекты: 1. Размерное квантование. 2. Резонансное туннелирование. 1. 2. 3. 4. Применение: Микроэлектроника. Оптоэлектроника. СВЧ-техника. Спинтроника. 28

Эффекты в СР Размерное квантование Резонансное туннелирование 29

ТИПЫ СВЕРХРЕШЕТОЧНЫХ НАНОСТРУКТУР EC 1. Одномерные (композиционные) сверхрешетки (f 0, h < hc ) A B A B EV 2. Двумерные (дислокационные) сверхрешетки (f > 2%, h > hc ) 3. Трехмерные (композиционно-дислокационные) сверхрешетки A B 30

31

Плотность состояний в квантоворазмерных структурах Плотность состояний в 2 D электронном газе: В 1 D электронном газе: 32

33

34

35

36

37

38

«Наночастицы» vs «нанокластеры» Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм (106 или меньше атомов). Свойства отличаются от св-в объемного в-ва, сост. из таких же атомов Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Слово «cluster» (англ. ) – скопление, гроздь. Обычно, в нанокластере - до 1000 атомов. Скопление кластеров железа Кластер железа с растущими углеродными нанотрубками 39

Критерий кластера - соотношение объема и поверхности Имеем сферический кластер, состоящий из i атомов. Его объем: где R – радиус нанокластера, v – объем одного атома (частицы). Объем, приходящийся на один атом (частицу): , где а – средний радиус одного атома (частицы). Тогда: Для большинства случаев размер частиц (атомов) а равен примерно 0, 1 нм. Т. е. кластер из 1000 частиц будет иметь размер порядка 10 нм. Площадь поверхности кластера: Число атомов на поверхности i. S связано с площадью поверхности через соотношение: , где s – площадь, занимаемая одним атомом на поверхности кластера. Тогда соотношение числа атомов на поверхности к числу атомов в объеме: Т. е. доля атомов на поверхности кластера быстро уменьшается с ростом размера кластера. Заметное влияние поверхности проявляется при размерах кластеров, меньших 100 нм. 40

Роль поверхности 41

42

43

44

45