Нанофизика и нанотехнологии Лекция 5 Конструирование наносистем 1

Нанофизика и нанотехнологии Лекция 5. Конструирование наносистем 1

Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы можно получить перемалывая в специальной мельнице материал макроскопических размеров. Структура, полученная при помощи литографии

Фотолитография Фотошаблон для интегральной схемы электронных часов 3

Схема изготовления микросхем с использованием фотолитографии (слева направо) Сначала делают фотошаблон, для чего освещают лучом лазера стеклянную пластинку, покрытую слоем хрома и фоторезиста, а потом удаляют освещённые части фоторезиста вместе с хромом. Шаблон помещают в параллельном пучке ультрафиолетового света, который фокусируется линзой и падает на поверхность кремниевой пластинки, покрытой тонким слоем окиси кремния и фоторезиста. Последующие термическая и химическая обработка позволяют создать сложную двумерную картину бороздок, необходимую для сборки электронной схемы 4

Предел технологии «сверху-вниз» q q Волновые свойства света, используемого в фотолитографии (обычно ультрафиолет), – дифракция, интерференция – дают физические ограничения, обусловленные длиной волны, на минимальный размер элемента рисунка. Современная литографическая технология подошла к своему пределу – 0, 13 мкм. 5

Технология «снизу-вверх» q q Конструировать систему с помощью отдельных атомов, т. е. добавляя атом за атомом. Конструировать систему, используя механизм самосборки или самоорганизации. 6

Дрекслер – автор книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии» , 2001 7

Принципы сборки машин Дрекслера (1) Научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место. (2) Разработать сборщики (assemblers) – наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами так, как это объяснено в (1), по программам, написанным человеком, но без его участия. Так каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то по оценкам учёных необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени. (3) Разработать репликаторы – устройства, которые бы изготовляли наносборщики, т. к. их придётся изготовить очень и очень много. 8

Человеческое тело сделано из молекул, и люди становятся больными и старыми из -за того, что появляются «ненужные» молекулы, а концентрация «нужных» уменьшается или их структура изменяется. В результате этого люди и страдают. Ничто не мешает человеку изобрести наномашины, способные переупорядочить атомы в «испорченных» молекулах или собирать их заново. Очевидно, что такие наномашины могут сделать революцию в медицине. 9

Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях n n Как из отдельных атомов и молекул возникают сложные организмы и системы? Как появились первые живые существа на Земле? Для ответа на них нужно понять принципы возникновения более сложного из простого. Процесс возникновения сложных упорядоченных структур из более простых называется самоорганизацией. Науку о самоорганизующихся системах называют 'синергетикой' (греч. sinergetike – совместное действие). Главная идея синергетики – идея о возможности возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Неустойчивость Бенара 11

Использование самоорганизации в нанотехнологиях n Одна из важнейших проблем, стоящих перед нанотехнологией, – заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. n Примером сборки сложнейших биологических объектов - ДНК.

Нанолитография Путем приложения повышенного напряжения или усилия зонд может вырвать (захватить) атом с поверхности образца и перенести его в другое место. Таким образом, возникает возможность поатомной сборки любых молекул и наноструктур, а в перспективе их производство в макроскопических объемах Примеры наноструктур полученных с помощью СТМ

«Перьевая нанолитография» Слева вверху – кантилевер (серо-стальной) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с фиолетовыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. 14

Оптический пинцет Схематическое изображение оптического пинцета. Луч лазера падающий сверху на линзу, фокусируется внутри капли. При этом на каждую частицу, находящуюся в воде, действуют силы (оранжевые стрелки), результирующая которых (зелёная стрелка) всегда направлена к фокусу. 15

Схематическое изображение сходящегося к фокусу и расходящегося после него красного луча. В месте фокусировки луча видна серая шарообразная частица Схематическое изображение ТРЁХ шарообразных частиц, находящихся в НЕоднородном электрическом поле фокусированного светового луча вблизи области фокуса 16

Схематическое изображение шарообразной частицы, находящейся в ОДНОРОДНОМ электрическом поле напряжённостью Е 17

Сложенные с помощью лазерного пинцета различные узоры из гелевых наночастиц 18

Примерами самоорганизации молекул, образующих наноструктуры, являются углеродные нанотрубки, квантовые точки, нанопроволоки и дендримеры 19

Кластеры и особенности их свойств n Кластерами называются нанообъекты, состоящие из сравнительно небольшого числа атомов или молекул, от единиц до сотен тысяч. Кластеры имеют наноразмеры по трем направлениям.

Кластеры и особенности их свойств Изменения конфигурации восьмиатомной молекулы цезий-йод в процессе теплового движения

Методы получения кластеров, магические числа Обычно кластеры делят на газовые и твердотельные, имея в виду источник их получения. Чаще всего встречаются кластеры, состоящие из определенного числа частиц, что означает, что эти кластеры наиболее устойчивы, стабильны. Эти числа называются магическими. Распределение газовых кластеров криптона по размерам (числу атомов n)

Методы получения кластеров, магические числа Примером структуры устойчивых кластеров служит плотная упаковка одинаковых сфер, при которой они касаются друга. Первому магическому числу – 13 – соответствует внутренняя сфера, окруженная 12 сферами того же радиуса. Число частиц Nn в оболочке № n можно подсчитать по формуле Nn = 10 n 2 + 2. Таким образом, в первой оболочке вокруг одного атома находится 12 атомов , во второй оболочке - 42 атома и т. д. Структура кластера при этом оказывается наиболее стабильной, а кластер имеет структуру икосаэдра. В некоторых случаях кластеры «упаковывались» из частиц, образуя структуру додекаэдра. Набор магических чисел при этом: 7, 29, 66, 118 и т. д. Структура нанокластеров: слева - додекаэдр; справа - икосаэдр

Квантовые точки и квантовые нити А) Б) А) Квантовая точка In. As, полученная на подложке In. P. Размер изображения 140 на 140 нм. Б) Квантовые нити, полученные реакцией метилфосфорной кислоты, этанола и алюминия. Размер изображения 8 на 8 мкм.

Дендримеры состоят из мономеров, но молекулы этих мономеров имеют ветвистую структуру 25

Применение дендримеров n n Внутри дендримера могут образовываться полости, заполненные веществом, в присутствии которого дендримеры были образованы. Если дендример синтезирован в растворе, содержащем какой-либо лекарственный препарат, то этот дендример становится нанокапсулой с данным лекарственным препаратом. Кроме того, полости внутри дендримера могут содержать вещества с радиоактивной меткой, применяемые для диагностики различных заболеваний. Заполняя полости дендримеров необходимыми веществами, можно, например, с помощью сканирующего зондового микроскопа собирать из различных дендримеров наноэлектронные схемы. При этом дендример, заполненный медью, мог бы служить проводником и т. п. 26

Квантовые точки. Роль процессов самоорганизации Решая задачу создания квантовых точек, сотрудники лаборатории Ж. И. Алферова пришли к выводу о необходимости использования процессов самоорганизации на новом уровне. Была сформулирована новая теория роста полупроводниковых кристаллов – переход к самоорганизующимся наноструктурам. Процессы самоорганизации играют принципиальную роль в нанотехнологии. Получение близких по размеру нанокластеров, чтобы затем наполнить ими твердую среду (матрицу) или нанести на макроскопическую поверхность, является важной технологической проблемой. Необходимо совместить массовое производство с атомной точностью формирования структуры.

Методы модификации свойств кластеров Физические и химические свойства кластера можно целенаправленно изменять, вводя в него атомы других элементов. В нанокомпозитах нанокластеры используются как наполнитель основной среды (матрицы), в качестве которой часто выступает полимерный материал. Взаимодействие наночастиц наполнителя друг с другом и с матрицей существенно определяет механические, электрические, тепловые и другие свойства композита. Кластер из 12 атомов кремния и так называемого «гостя» – атома вольфрама

Области применения кластеров Примеры областей применения: – медицина, в частности - диагностика раковых опухолей – флуоресцентные метки для живых клеток, рецепторов, раковых маркеров – электроника – производство принципиально новых материалов и покрытий – парфюмерия

Квантовые точки

Квантовые точки: применения Раскрашивание разных внутриклеточных структур в разные цвета с помощью квантовых точек. Красное – ядро; зелёные – микротрубочки; жёлтый – аппарат Гольджи 31

Лазеры на квантовых точках Лазер на квантовых точках — полупроводниковый лазер, который использует в качестве активной лазерной среды квантовые точки в их излучающей области. Из-за жёстких ограничений на передвижение носителей заряда в квантовых точках, они имеют электронную структуру, похожую на атомы. Лазеры, изготовленные на таких активных средах, обладают характеристиками, похожими на характеристики газовых лазеров, и в них удаётся избежать некоторых негативных аспектов устройств, которые имеются у традиционных полупроводниковых лазеров с активной средой на основе объёмных структур или на квантовых ямах. Наблюдается улучшение характеристик по полосе частот, порогу генерации, относительной интенсивности шума, увеличению ширины спектральной линии и нечувствствительности к колебаниям температуры. Активную область квантовой точки можно также рассчитать для работы на различных длинах волн, изменяя размер и состав точки. Появилась возможность производить лазеры на квантовых точках для работы на таких длинах волн, на которых ранее сделать это не представлялось возможным с использованием прежних технологий полупроводниковых лазеров. 32

Применения лазеров на квантовых точках Устройства с активными средами на основе квантовых точек находят коммерческое применение в медицине (лазерные скальпели, оптическая когерентная томография), технологии (проекционные устройства, лазерные телевизоры), спектроскопии и телекоммуникации. Лазер на квантовых точках на 10 Гбит/с, нечувствительный к колебаниям температуры, разработан с применением этой технологии для работы в оптических линиях связи и оптических сетях. Лазер обеспечивает высокую скорость работы на длине волны 1, 3 мкм в температурном диапазоне от 20 °C до +70 °C. Он работает в оптических системах передачи данных, оптических локальных сетях и городских вычислительных сетях. По сравнению с характеристиками предыдущих обычных лазеров на квантовых ямах новые лазеры на квантовых точках имеют значительно более высокую температурную стабильность. 7 октября 2010 года японская компания Fujitsu и физики из Университета Токио представили первый в мире квантовый точечный лазер, позволяющий передавать данные со скоростью 25 Гбит/сек на одном луче. 33

Квантовые проволоки Слева – получение кремниевой нанопроволоки (розовая) методом эпитаксии с помощью золотой наночастицы в атмосфере Si. H 4. Справа – «лес» из Zn. O нанопроволок, полученных методом эпитаксии 34

Нанопроволоки Кремниевые нанопроволоки, растущие вверх вместе с золотыми наночастицами 35

Предел прочности нанопроволок в десятки раз выше, чем у обычных образцов 36

Плавление наночастиц Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия Tm от их радиуса R в ангстремах (Å) 1 Å=0, 1 нм 37

Поверхность На поверхности всех кристаллов образуется плёнка жидкости Беспорядочное расположение молекул воды на поверхности соответствует плёнке жидкости, а гексагональная структура в толще – льду. Красные кружки – атомы кислорода; белые – атомы водорода 38

Толщина жидкой плёнки на поверхности кристалла растёт с температурой, так как более высокая тепловая энергия молекул вырывает из кристаллической решётки больше поверхностных слоёв. Теоретические оценки и эксперименты показывают, что как только толщина жидкой плёнки на поверхности кристалла начинает превышать 1/10 размеров кристалла, вся кристаллическая решётка разрушается и частица становится жидкой. Поэтому и температура плавления частиц постепенно падает с уменьшением их размера. 39

Спасибо за внимание 40