Материалы и методы нанотехнологии 1 Ч П Пул

Материалы и методы нанотехнологии: 1. Ч. П. Пул мл. Ф. Дж. Оуэнс, Нанотехнологии, 2004 2. Получение и исследование наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям. Ред. А. С. Сигов. М. 2009. 3. Щука. Наноэлектроника. М. 2007. Главы 2 и 3. 4. А. Я. Шик, Л. Г. Бакуева, С. Ф. Мусихин, С. А. Рыков ФИЗИКА НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СИСТЕМ , С. -Пб, 2001 5. Nanoelectronics and Information Technology : Advanced Electronic Materials and Novel Devices by Rainer Waser (Editor) Wiley-VCH (April 22, 2003) http: //www. nanometer. ru/ http: //nanodigest. ru/

Лекция 1. Введение: классификация наноматериалов, основные особенности Задачи и перспективы нанотехнологии

Что такое наука о наноматериалах и нанотехнология? Наука о наноматериалах занимается объектами с размерами 0. 1 – 100 нм ((0. 1 - 100) 10 -9 м) Химические и физические свойства наноматериалов могут в значительной степени отличаться от свойств • атомно-молекулярных • объемных

БУЛЫГИНА Е. В. и др. НАНОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ: КЛАССИФИКАЦИЯ, ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ

Задание: Составить свою таблицу размеров от пико- до макро-

Классификация наноматериалов • Неорганические • Объемные наноструктурированные • органические • Изолированные нанообъекты 0 D – нанокластеры, квантовые точки 1 D – проволоки 2 D - пленки

Природные материалы - опалы Искусственные материалы Цветное стекло: XVI век (4 век до н. э. ? ? ? ) Серебряная фотография XVIII

Бабочки и др. Общий вид Микрофотография (оптический микроскоп) Изображение, полученное в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) Трехмерный ФК

Отдельные классы наноматериалов • консолидированные наноматериалы; • Нанополупроводники, • нанополимеры, • нанобиоматериалы; • углеродные материалы: фуллерены, нанотрубки, графен; • наночастицы и нанопорошки; • нанопористые материалы; • супрамолекулярные структуры

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) • однокомпонентные поликристаллы (структурные элементы – одно вещество с разной ориентацией главных осей анизотропии). По форме структурных элементов нанокомпозиты 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 <100 нм – представляют интерес как промежуточные структуры в технологическом процессе изготовления наноэлектронных изделий, например, как мультикатализаторы; как источники энергии и сенсоры. 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.

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.

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 С 60 и С 70, 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.

Наиболее общие особенности свойств наноструктур • с уменьшением размера элементов значительно возрастает роль поверхностей раздела (доля приповерхностных атомов увеличивается от долей процента до нескольких десятков процентов); • свойства поверхностей раздела в нанометровом диапазоне размеров могут сильно отличаться от таковых для крупнокристаллических материалов ( краевые эффекты, влияние сил изображения, различия поверхностей раздела в нанокомпозитах); • размер элементов наноструктур соизмерим с характерными размерами некоторых физических явлений ( например, с длиной свободного пробега в явлениях переноса); • размерные эффекты в наноструктурах могут иметь квантовый характер (когда размер области локализации свободных носителей становится соизмерим с длиной волны де Бройля λв).

Термодинамические свойства • некоторые термодинамические соотношения могут не выполняться, т. к. появляется дополнительная степень свободы, обусловленная наличием тождественных и независимых малых частиц (систем); • флуктуации термодинамических переменных становятся соизмеримы со средними значениями самих свойств; • точки фазового равновесия имеют тенденцию к сдвигу в область более низких температур; • изменяются температуры фазовых превращений; • некоторые термодинамические свойства (например, свободная энергия Гиббса G) могут терять монотонность.

Свойства проводимости Значительное повышение удельного электросопротивления ρ с уменьшением размера структурного элемента отмечено для многих металлоподобных наноматериалов (Cu, Pd, Fe, Ni-P, Fe. Cu-Si-B, Ni. Al, нитридов и боридов переходных металлов и др. ). Причины: • Рассеяние на фононах (увеличенное) • Рассеяние на примесях (увеличенное) • Рассеяние вблизи поверхности (увеличенное)

Магнитные и сегнетоэлектрические (функциональные)свойства H. Miguez, A. Blanco et al. // J. Lightwave Technol. 1999. V. 17. № 11. P. 1975− 1981.

Электронные свойства Квантово-размерные эффекты Определение КВАНТОВЫЕ РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ - изменение термодинамических и кинетических свойств кристалла, когда хотя бы один из его геометрических размеров становится соизмеримым с длиной волны де Бройля l B электронов. Квантовые размерные эффекты обусловлены квантованием движения электрона в направлении, в котором размер кристалла D сравним с l. B Размерность системы может изменяться в зависимости от температуры, магнитного поля и т. д. ПЛОТНОСТЬ СОСТОЯНИЙ — величина, определяющая количество энергетических уровней в интервале энергий на единицу площади Применяется только для одночастичных задач, то есть для систем где можно пренебречь взаимодействием (невзаимодействующие частицы) или добавить взаимодействие в качестве возмущения (это приведёт к модификации плотности состояний).

Плотность состояний для электронов с параболическим законом дисперсии Доступный объём 3 D 2 D πk 2 1 D 2 k 0 D Объём для одного состояния Плотность состояний

Квантовые Эффекты • квантовое размерное ограничение • интерференция • туннелирование через потенциальный барьер. • Резонансное туннелирование • Квантовый эффект холла

НАНОТЕХНОЛОГИЯ - технология синтеза композитных материалов, наноразмерных (пространственных и пространственно-временных) структур, взаимодействующих с электромагнитными и гравитационными полями на уровнях ниже дифракционного предела. Источник: Г. С. Мельников www. nanometr. ru Задание: найти определение

Две неразрывные части нанотехнологий: 1. Развитие диагностических методов • структурный анализ: электронная микроскопия, оптическая микроскопия, сканирующая туннельная и силовая микроскопия • Функциональнаый анализ: регистрации малых величин функциональных параметров (ток, напряжение, . . . ) 2. Развитие методов синтеза (развитие методов микроэлектроники, химические, биологические методы)

Методы получения: Литографические методы (фотолитография, ренгеновская, электронная , ионная, пресс-литография); Осаждение. Моделирования процессов осаждения: методы молекулярной динамики, метод Монте-Карло. Гетероэпитаксия. Методы физического осаждения: термораспыление, высокочастотное и магнетронное распыление; лазерная абляция; молекулярно-лучевая эпитаксия. Методы химического осаждения: эпитаксия металлоорганических соединений из газовой фазы, жидкофазная эпитаксия; осаждение атомных слоев, аэрозольное распыление, золь-гель технология. Химические и электрохимические методы, коллоидные растворы. Методы получения упорядоченных наноструктур: искусственное наноформообразование, самоорганизация при эпитаксиальном росте, методы синтеза нанокристаллов осаждением в наноструктурированные матрицы; методы молекулярного наслаивания (Ленгмюра-Блоджетт). Образование наноструктур при кристаллизации аморфизированных слоев, формирование квантовых точек и проволок при ионном синтезе. Методы зондовой нанотехнологии; контактное и бесконтактное формирование нанорельефа поверхности подложек; локальная глубинная модификация поверхности подложек; межэлектродный массоперенос с нанометровым разрешением, модификация свойств среды в зазоре между туннельным зондом и подложкой; электрохимический массоперенос; массоперенос из газовой фазы; локальное анодное окисление.

Способы планирования • Национальные программы • Дорожные карты (Road. Maps) по различным направлениям Финансирование научных разработок • Европа: FP 7 http: //cordis. europa. eu/fp 7/ • США: NSF • Япония: JSPS

УТВЕРЖДЕНА постановлением Правительства Российской Федерации от 29 января 2007 г. № 54 ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА "НАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БАЗА" на 2007 - 2012 годы 364 стр Стр 19 • разработка экономичных конструкционных и функциональных изотропных металлических композиционных материалов на алюминиевой, титановой, медной, магниевой матрице, армированной порошками (нанопорошками, нановолокнами) высокопрочных соединений и квазикристаллами с повышенными характеристиками прочности, модуля упругости, твердости и расширенным набором триботехнических свойств, позволяющих повысить экологичность широкого класса двигательных установок, снизить шум и эмиссию двигателей на 25 - 30 процентов; Стр 23 • создание технологий и оборудования для изготовления фотоэлектрических преобразователей и фотоприемных модулей на основе многослойных наноструктур. Стр 29 • разработка каталитических процессов и технологий производства отечественных наномодифицированных катализаторов нового поколения для более глубокой переработки нефтяного газового сырья в олефины, ароматические углеводороды и мономеры. • фотонно-кристаллические метаматериалы с гибридной планарно-объемной топологией на основе нанокомпозитов - коллоидных кристалл-полупроводников

Список приоритетных направлений развития науки : Индустрия наносистем и материалов Список критических технологий 1. 3. 7. -Нанотехнологии и наноматериалы;

УТВЕРЖДЕНА постановлением Правительства Российской Федерации от 29 января 2007 г. № 54 http: //www. fasi. gov. ru/ ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА "НАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БАЗА" на 2007 - 2012 годы 364 стр Стр 19 • разработка экономичных конструкционных и функциональных изотропных металлических композиционных материалов на алюминиевой, титановой, медной, магниевой матрице, армированной порошками (нанопорошками, нановолокнами) высокопрочных соединений и квазикристаллами с повышенными характеристиками прочности, модуля упругости, твердости и расширенным набором триботехнических свойств, позволяющих повысить экологичность широкого класса двигательных установок, снизить шум и эмиссию двигателей на 25 - 30 процентов; Стр 23 • создание технологий и оборудования для изготовления фотоэлектрических преобразователей и фотоприемных модулей на основе многослойных наноструктур. Стр 29 • разработка каталитических процессов и технологий производства отечественных наномодифицированных катализаторов нового поколения для более глубокой переработки нефтяного газового сырья в олефины, ароматические углеводороды и мономеры. • фотонно-кристаллические метаматериалы с гибридной планарно-объемной топологией на основе нанокомпозитов - коллоидных кристалл-полупроводников

Список приоритетных направлений развития науки : Индустрия наносистем и материалов Список критических технологий 1. 3. 7. -Нанотехнологии и наноматериалы;

Перечень технологических платформ Медицинские и биотехнологии 1. Медицина будущего 2. Биоиндустрия и биоресурсы — Био. Тех2030 3. Биоэнергетика Информационно-коммуникационные технологии 4. Национальная программная платформа 5. Национальная суперкомпьютерная технологическая платформа Фотоника 6. Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии — фотоника 7. Развитие российских светодиодных технологий Авиа-космические технологии 8. Авиационная мобильность и авиационные технологии 9. Национальная космическая технологическая платформа 10. Национальная информационная спутниковая система Ядерные и радиационные технологии 11. Замкнутый ядерно-топливный цикл с реакторами на быстрых нейтронах 12. Управляемый термоядерный синтез 13. Радиационные технологии Энергетика 14. Интеллектуальная энергетическая система России

15. Экологически чистая тепловая энергетика высокой эффективности 16. Перспективные технологии возобновляемой энергетики 17. Малая распределенная энергетика Технологии транспорта 18. Применение инновационных технологий для повышения эффективности строительства, содержания и безопасности автомобильных и железных дорог 19. Высокоскоростной интеллектуальный железнодорожный транспорт Технологии металлургии и новые материалы 20. Новые полимерные композиционные материалы и технологии 21. Материалы и технологии металлургии Добыча природных ресурсов и нефтегазопереработка 22. Технологическая платформа твердых полезных ископаемых 23. Технологии добычи и использования углеводородов 24. Глубокая переработка углеводородных ресурсов Электроника и машиностроение 25. Технологии мехатроники, встраиваемых систем управления, радиочастотной идентификации и роботостроение 26. СВЧ технологии Освоение океана 27. Освоение океана Экологическое развитие 28. Технологии экологического развития

Приоритетные направления модернизации Медицинская техника и фармацевтика Космос и телекоммуникации Стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение Энергоэффективность и энергосбережение Ядерные технологии

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ЦЕЛЕВАЯ ПРОГРАММА "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2012 годы" УТВЕРЖДЕНА постановлением Правительства Российской Федерации от 2 августа 2007 г. № 498 III. Мероприятия Программы Направление 1. Развитие приборно-инструментальной составляющей инфраструктуры наноиндустрии Направление 2. Развитие информационно-аналитической составляющей инфраструктуры наноиндустрии (базы данных, интернет порталы) Направление 3. Развитие методической составляющей инфраструктуры наноиндустрии (метрология, патентование) Направление 4. Обеспечение управления реализацией Программы и содержание дирекции Программы

Мероприятия федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2011 годы" (млн. рублей, в ценах соответствующих лет) В том числе 2008 2011 годы всего 2009 год Направление реализации мероприятий Программы, государственный заказчик Программы средства федерального бюджета внебюд же тные всего средства всего капи тальн прочие ые вложе нужды ния Итого по Программе 27315 15473 9054 2010 год средства федерального бюджета внебюд же тные всего средства капи тальн прочие ые вложе нужды ния 2788 6098 3094 2242 2011 год 761 5518 капи тал ьные прочие вложе нужды ния 3810 1208 средства федерального бюджета внебюд жетные всего средства 500 5475 капи тал ьные прочие вложе нужды ния 2100 2919 внебюд жетные средства 455

В 2009 году доход бюджета составит 9, 518 триллиона рублей (19, 6% ВВП), расход – 8, 811 триллиона рублей (18, 1% ВВП) Объем ВВП России за 2010 год составил 40 трлн руб 0. 01 трлн/40 трлн=0. 0002=0. 02% ВВП Япония - 3, 6% ВВП ГК «Российская корпорация нанотехнологий» http: //www. rusnano. com/ ( «Роснано» ), директор Чубайс 130 млрд руб/5 лет 0. 13 трлн /40 трлн=0. 003=0. 3%

«Роснано» одобрила семь проектов, объем инвестиций — 26 млрд рублей (24. 12. 2010) Наблюдательный совет «Роснано» одобрил семь новых инвестиционных проектов с общим бюджетом более 26 млрд рублей. Вклад «Роснано» в эти проекты составит 12 млрд рублей. Один из проектов - создание производства конструкционных материалов нового поколения, изделия из которого будут применяться в качестве антифрикционных и уплотнительных деталей машин и механизмов, работающих в условиях агрессивных сред, повышенной температуры и высоких нагрузок. Сферы применения - автомобилестроение, космическая и атомная отрасли, авиация и судостроение и т д. Также «Роснано» планирует участвовать в Европейском фонде прямых инвестиций и трансфера технологий. В рамках этого проекта «Роснано» надеется получить доступ к западным технологиями. Одобрены также проекты: создания производства приборов для молекулярной диагностики - биодетекторов и расходных бионанослайдов; создания серийного производства литий-ионных аккумуляторов для переносных электроприборах и средств связи; создания современного производства нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей; разработки, производства и внедрения девяти лекарственных препаратов, использующих нанокомпозитные материалы.

18. 01. 2011 Москва, Россия; Маунтин-Вью, США. РОСНАНО и компания Plastic Logic, мировой лидер на развивающемся рынке пластиковой электроники, объявили о начале инвестирования в проект общим объемом $700 млн по созданию крупнейшего в мире производства пластиковых дисплеев следующего поколения по технологии Plastic Logic в Зеленограде. На сегодняшний момент партнеры уже инвестировали в проект $300 млн. Из них РОСНАНО внесла $150 млн в уставный капитал Plastic Logic. Ключевой инвестор Plastic Logic, венчурный фонд Oak Investment Partners, инвестировали в проект $50 млн. В дополнение к инвестициям в акционерный капитал, РОСНАНО предоставит частичные гарантии по обеспечению кредита в размере $100 млн. В ближайшие несколько лет проект может также привлечь дополнительное финансирование в виде инвестиций в уставный капитал и кредитов общим объемом до $400 млн. «Мы анализировали различные варианты привлечения инвестиций и размещения нашего второго производства по всему миру, — отметил генеральный директор компании Plastic Logic Ричард Арчулета. — Россия как место размещение производства и РОСНАНО как деловой партнер стали для нас наилучшим выбором. РОСНАНО продемонстрировала, что разделяет наши цели в области коммерциализации пластиковой электроники. Мы благодарны РОСНАНО и фонду Oak Investment Partners за поддержку вывода нашей инновационной технологии на массовый рынок» . «Plastic Logic — одна из многообещающих новых международных технологических компаний, — отметил управляющий директор РОСНАНО Георгий Колпачев, — инвестиции в проект позволят создать в России один из крупнейших мировых центров производства пластиковой электроники. Мы видим огромный потенциал использования этой технологии в самых различных продуктах. Гибкие пластиковые дисплеи совершат очередной переворот в работе с информацией. Войдя в этот инновационный сегмент на стадии его зарождения, Россия получит возможность занять лидирующие позиции на мировом рынке электроники будущего» . Пластиковая электроника способна совершить революцию в разработке и производстве электронных устройств. Эта технология имеет много преимуществ с точки зрения стоимости, производства, экологии и разнообразия форм-факторов, которые позволят ей заменить кремний в разнообразных электронных устройствах в будущем. Компания Plastic Logic является лидером в разработке пластиковой электроники для коммерческих применений, обладает полным пакетом интеллектуальной собственности и активно развивает это направление в своих лабораториях и на производственных линиях. Уже на первом этапе развития технологии Plastic Logic удалось создать необычайно тонкий, легкий, гибкий и быстродействующий активно-матричный дисплей, не имеющий аналогов на рынке. Этот дисплей стал основой электронной книги нового поколения — первого продукта Plastic Logic в области потребительской электроники, который сейчас находится на завершающих стадиях разработки. Запуск производства Plastic Logic в особой экономической зоне Зеленограда запланирован на 2013 -2014 г. Завод, рассчитанный на выпуск сотен тысяч пластиковых электронных дисплеев нового поколения в месяц, создаст более 300 высококвалифицированных рабочих мест. «Зеленоград был очевидным выбором для размещения второго, самого крупного предприятия компании по выпуску пластиковых электронных дисплеев, — уверен вице-президент Plastic Logic по производству Конрад Херре, руководивший выбором площадки. — Зеленоград является центром микроэлектронной и компьютерной промышленности — своего рода аналогом Кремниевой долины в России. В городе создана особая экономическая зона с прекрасной инфраструктурой для высокотехнологических производств, а Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ) предоставляет доступ к высокообразованным и хорошо подготовленным кадрам.

Наиболее значительные достижения сегодняшнего дня 1. 2. 3. 4. 4. 5. Развитие физических и химических методов синтеза нанокристаллов и монослоев и их «сборка» в упорядоченные структуры Открытие и контролируемое изготовление углеродных трубок и их использование для создания электронных приборов Зондовые технологии (STM/AFM) для манипуляции нанообъектами и изготовление с их помощью наноструктур. Позиционирование индивидуальных молекул на электрических контактах и измерение электронного транспорта Создание наноустройств на основе биомолекул и супрамолекул. Локализация биомоторов и их использование в небиологических наносистемах

Основные направления развития нанотехнологий 1. Конструкционные макро-нано-материалы с новыми свойствами (твердость, термостойкость, . . . ) 2. Материалы для солнечной энергетики (фотовольтаики) 3. Наноэлектроника 4. Нано-оптоэлектроника 5. Сенсоры 6. Наномеханика: MEMS/NEMS Mechanical Systems) 7. Нано-биология и медицина (Micro/Nano-Electro-

Задание: Составить свою «дорожную карту» развития нанотехнологии до 2020 года

Примеры контрольных вопросов к Л. 1 • Что такое наноматериал? • Приведите примеры объектов размерами: 0. 05 нм; 500 нм, 1 мкм, 7 мкм • Классификация наноматериалов по размерности • Перечислите методы изготовления наноматриалов