ПРЕЗЕНТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Нанотехнологии в производстве изделий электронной техники

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ДИСЦИПЛИНЫ: Нанотехнологии в производстве изделий электронной техники (раздел 1) Мигас Дмитрий Борисович доктор физ. -матем. наук, профессор

Что же означает слово «нано» ? ! «нано» – nanus (ηαηοσ) – «карлик» одна миллиардная часть один нанометр (1 нм) – это одна миллиардная часть метра или 0, 000 001 м (10– 9 м) 1 нм = 10 Å

Что же означает слово «нано» ? ! Размеры: атом кремния 0. 24 нм; молекула С 60 – 0. 75 нм; диаметр спирали ДНК – 2 нм; длина одного витка ДНК – 3. 4 нм; молекула гемоглобина – 6. 4 нм; пиконановирусы – 20 нм; молекула гемоцианина – 50 нм; бактерии Mycoplasma mycoides 100 -250 нм; мимовирусы – 500 нм; эритроциты человека – 8000 нм (уже 8 микрон).

Что же означает слово «нано» ? ! «Нано» - лишь короткий, хотя и страшно важный отрезок, на котором реализуются интереснейшие, практически важные химические и физические взаимодействия. Любые объекты и материалы можно и нужно изучать на разных пространственных масштабах. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень "микро" (характерный размер - микроны, т. е. тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб. Что касается "нано", IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) установил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0, 1 мкм), то мы говорим о наносистеме - это и есть уровень наномасштабов.

Материалы - Органические - Объёмные наноструктурированные - Неорганические - Изолированные нанообъекты: 0 D – нанокластеры, квантовые точки 1 D – нанопроволока 2 D – пленки

Материалы

Наноразмерные эффекты При уменьшении размеров объекта происходит увеличение отношения площади поверхности объекта к его объёму

Наноразмерные эффекты Классификация нанокластеров металлов по размерам (из лекции профессора Б. В. Романовского) Число атомов в Диаметр, Å нанокластере Доля атомов на поверхности, % Число внутренних слоев Тип кластера 1 2, 4 – 3, 4 100 0 – 2 4, 5 – 6, 0 100 0 – 3 – 12 5, 5 – 8, 0 100 0 Малый 13 – 100 8 – 20 92 – 63 1 – 3 Средний 102 – 104 20 – 100 63 – 15 4 – 18 Большой 104 – 105 100 – 300 15 – 2 > 18 Гигантский > 106 > 300 < 2 много Коллоидная частица

Наноразмерные эффекты Возможные структуры нанокластера Au 24 Конфигурация (а) наиболее стабильна

Наноразмерные эффекты Наночастицы Cd. Se в коллоидных растворах

Наноразмерные эффекты При изменении размера наночастиц Cd. Se в пределах от 25 до 45 Å, находящихся в коллоидных растворах, изменяется окраска этих растворов. Для таких размеров наночастиц Cd. Se свойственно изменение ширины запрещенной зоны, а вместе с этим и коэффициента оптического поглощения и длины волны, при которой наблюдается фотолюминесценция в этих коллоидных растворах.

Наноразмерные эффекты Присутствие наночастиц серебра и золота размером около 70 нм приводит к оригинальному цветовому восприятию кубка Ликурга В отраженном свете он выглядит зеленым, а в прошедшем свете – оранжево-красным.

Наноразмерные эффекты Температура плавления наночастиц золота Температура плавления объёмного (обычного материала) золота 1337 К

История становления нанотехнологий Первые системные исследования в области нанотехнологий принадлежат М. Фарадею. Он впервые детально исследовал оптические свойства коллоидного золота – частиц золота с размерами в несколько нанометров в растворе, и показал возможности управления его цветовой гаммой. В 1905 г. А. Эйнштейн предложил количественную теорию поведения коллоидных сред, рассматривая эти частицы как большие атомы, находящиеся в состоянии Броуновского движения. Его теория была подтверждена экспериментами Ж. Б. Перана, который в 1926 г. удостоен Нобелевской премии по физике за работы по непрерывной структуре вещества. В работах И. Лэнгмюра 1916 -1918 гг. , показано как получить моноатомные – толщиной в один атом, и мономолекулярные – толщиной в одну молекулу, слои. В 1932 он удостоен Нобелевской премии по химии за открытия и исследования в области химии поверхности.

История становления нанотехнологий В докладе Р. Фейнмана в 1958 г. прозвучала знаменитая фраза «там, внизу, еще много места» , где также представлены перспективы управления свойствами материалов на атомном и молекулярном уровнях. Он указывал на возможности прямого конструирования структур путем сложения отдельных атомов. Впервые термин «нанотехнология» ввел профессор Токийского университета Н. Танигучи в 1974 году. Он назвал этим термином прецизионное производство изделий размером несколько нанометров. С этого времени термин «нанотехнологии» прочно вошел в практику научных исследований и инженерных разработок. В 1981 г. Э. Дрекслер опубликовал статью «Молекулярная инженерия: подход к разработке общих принципов манипулирования молекулами» . Используя известную в то время технику конструирования белковых макромолекул, он предложил создавать из атомов и молекул наноразмерные аналоги зубчатых передач, подшипников, насосов …

История становления нанотехнологий Заметным практическим шагом на пути исследования и конструирования структур на атомном и молекулярном уровне стало появление в 1982 г. сканирующего туннельного микроскопа, а затем – в 1986 г. , атомного силового микроскопа. Их основными разработчиками были сотрудники исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе Герд Бинниг и Генрих Рорер, которые в 1986 г. , за работы по сканирующей туннельной микроскопии были удостоены Нобелевской премии по физике. С появлением этих инструментов исследователи получили возможность не только с атомарным разрешением «рассматривать» твердые объекты, но и реально конструировать твердотельные структуры из отдельных атомов и молекул, что безусловно способствовало прогрессу в разработке и практическом освоении нанотехнологий.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Логично определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов - изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Таким образом, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и "размерность" (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, "интеграция «свойств в ансамбле нанообъектов).

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука «Нанодиапазон» – участок пространственной шкалы 1 – 100 нм, в котором реализуются основные взаимодействия в наносистемах и который ограничивает сверху и снизу геометрические размеры нанообъектов по одному или нескольким измерениям. Вещество находится в «наносостоянии» , если проявляются свойства, отличные от химических, физических или биологических свойств макросостояния (объемного состояния) вещества. Объекты, все размеры которых меньше 1 нм, относятся к области деятельности того или иного классического раздела химии, физики (атомная физика) и пр. Объекты, все размеры которых больше 100 нм, относятся к микро и макрообъектам и рассматриваются, как дисперсные системы, не проявляющие особенности наносостояния.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука «Нанотехнологии» – совокупность химических, физических или искусственных биологических процессов, позволяющих контролируемо оперировать с нанообъектами, формирующими те или иные материалы, устройства или технические системы. Особенностью нанотехнологий является широкое использование процессов самоорганизации, самосборки и темплатного синтеза, которые могут в сложно организованной системе привести к формированию необходимых упорядоченных структур (наноструктур), проявляющих требуемые практически важные (функциональные) свойства.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука «Наноматериалы» – продукты нанотехнологий, материалы, практически-важные (функциональные) свойства которых определяются химическим составом, структурой, размером, размерностью и упорядочением составляющих их фрагментов, размер которых принадлежит нанодиапазону. Получение наноматериалов с уникальными свойствами основано на формировании тех или иных структур, причем часто - иерархических, полезные функции которых определяются не только наноуровнем, но также и другими уровнями структуры.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Возникновение нанотехнологий означает качественный скачок в философии получения практически важных веществ - создание невидимых простых глазом сложных устройств и систем, размеры которых находится в диапазоне размеров надмолекулярных образований. "Обычная" химия работает с молекулами и атомами, а "обычная" промышленность работает с тоннами и кубометрами, к этому тоже все привыкли. Наноматериалы – продукт нанотехнологий - это нечто особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, т. к. даже один грамм такого "хайтековского" вещества способен решить множество проблем.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Наноматериалы - не один "универсальный" материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами. Заблуждением является и то, что наноматериалы - это просто очень мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, делающих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, находящими практическое использование в деятельности человека. Во-первых, все наноматериалы состоят из очень мелких фрагментов, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Это первый плюс – суперминиатюризация, приводящая к тому, что на единице площади можно разместить больше функциональных наноустройств. Ничтожный размер делает для наноустройств доступным почти любые закоулки человеческого тела или части макромашин, в которые не проникнет ничто другое.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены. Каталитически активные материалы позволяют в десятки тысячи и даже миллины раз ускорить химические или биохимические реакции. Интересное применение – разложение воды для водородной энергетики на водород и кислород в присутствии наночастиц Ti. O 2, который всем нам известен, как компонент титановых белил. Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины. Наночастицы также могут "таскать" за собой необходимые лекарства или ферменты, программируемо доставляя их к заранее выбраной цели.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука В-третьих, наноматериалы уникальны тем, что такое вещество находится в особом, "наноразмерном", состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др. ).

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Характерной особенностью наночастиц является отсутствие точечных дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы ("квантовые точки“ идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. Индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали, при этом они во много раз легче. Все эти признаки объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство - вопрос не количества, не тонн или километров, а качества человеческой мысли, "ноухау" (от английской know how - "знаю как").

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Разработка новых методов получения наноматериалов является современным приоритетным направлением развития химии, физики и даже биологии. Актуальность исследований в этой области связана с тем, что формирование нанообъектов происходит, как правило, в рамках специфических закономерностей, не исследовавшихся ранее в классических разделах химической науки. В частности, одним из основных принципов получения наноструктурированных материалов является самоорганизация в сложных открытых системах с иерархическими взаимодействиями на различных структурных уровнях или реализация управляемой самосборки из существующих в системе элементов – строительных блоков.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Управляемый процесс формирования упорядоченных структур может быть реализован за счет использования специально введенных темплатов – «шаблонов» , способствующих формированию необходимых взаимодействий (из множества возможных) между элементами системы. Естественным способом получения наноматералов могут являться самосборка и самоорганизация. Организация (возникновение упорядочения) при самосборке контролируется конкуренцией различных сил взаимодействия, часто молекулярной природы, наподобие гидрофильных – гидрофобных взаимодействий, сил гравитации, Вандер-Ваальсовых или кулоновских взаимодействий.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Самосборка – процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие» , как части целого, результирующую сложную структуру. Самоорганизация может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов» , процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе, за счет многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Явления образования упорядоченных структур и самоорганизации происходят обычно как отклик сложной системы на сильное внешнее воздействие. То, что в этом мире не бывает чудес (кстати, это одна из самых коротких формулировок второго закона термодинамики) – это следствие фундаментальных законов термодинамики, согласно которому беспорядок в изолированной системы стремится увеличиться. Этих законов никто не отменял и в наномире. Если Вы хотите упорядоченно «разложить» молекулы или наночастицы, последние наверняка не будут разделять Ваше желание.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука При определенных условиях микро- или нанообъекты перестают капризничать и сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет – система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается внешнее воздействие. Данное воздействие направлено не на конкретную частицу, а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим – создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Такие процессы и называют процессами самосборки.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Подобно атомарным ансамблям сферические наночастицы способны спонтанно собираться в упорядоченные агрегаты (сверхрешетки). Основными причинами такого «слипания» наночастиц являются различные слабые силы (электростатические и капиллярные взаимодействия, поверхностное натяжение), которые стремятся уменьшить общую площадь поверхности наночастиц и их поверхностную энергию. Тип организации наночастиц и структура образующегося массива зависят от условий синтеза, диаметра частиц, природы поверхностно-активного вещества и даже от дисперсионной среды.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука В настоящее время известны примеры того, как с помощью различных методов самосборки удавалось получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания особых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка, могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, игра на смачиваемости-несмачиваемости компонентов системы и другие приемы.

Что такое нанотехнологии, наноматериалы и нанонаука Нанотехнологии – чрезвычайно сложная, высокопрофессиональная, междисциплинарная область, объединяющая усилия химиков, физиков, материаловедов, математиков, медиков, специалистов в области вычислительных методов и др. Нанотехнологии, являясь междисциплинарной и «прибороемкой» областью исследований, в отличие от обычных технологий принципиально отличаются повышенной "наукоемкостью" и затратностью, необходимостью интеллектуальной и экспертной деятельности, и поэтому в них резко снижена вероятность обычного пути решения проблем методом "проб и ошибок", который традиционно используется во многих прикладных разработках.

Что такое интеллектуальные материалы Интеллектуальные материалы - материалы, придающие конечному продукту дополнительные полезные свойства, материалы, способные необходимым для пользователя образом изменять свою структуру в зависимости от свойств окружающей среды. В настоящее время создавать некоторые из «интеллектуальных» материалов и проводить исследования в этой области позволяют нанотехнологии, и именно о наноматериалах говорят как об «интеллектуальных» материалах.

Факторы, определяющие функциональные свойства наноструктурированных материалов

Основные подходы формирования наноструктур Принцип «сверху‑вниз» top‑down approach Принцип «снизу‑вверх» bottom‑up approach

План дисциплины Раздел 1. Физико-химические основы нанотехнологий и методы формирования наноструктур Тема 1. Процессы самосборки и самоорганизации Тема 2. Зондовые технологии и атомная инженерия Тема 3. Нанолитография Тема 4. Химическое осаждение из газовой фазы Тема 5. Молекулярно-лучевая эпитаксия Тема 6. Электрохимическое осаждение металлов и полупроводников Тема 7. Электрохимическое оксидирование металлов полупроводников Тема 8. Лазерная абляция Тема 9. Ионная имплантация Тема 10. Измерение и анализ свойств наноструктур

План дисциплины Раздел 2. Получение, свойства и применение наноструктур на основе кремния, углерода и диоксида титана Тема 1. Углеродные наноструктуры Тема 2. Кремниевые наноструктуры Тема 3. Наноструктуры диоксида титана Раздел 3. Приборы на основе наноструктур Тема 1. Транзисторы Тема 2. Датчики Тема 3. Солнечные элементы Тема 4. Катализаторы химических реакций Тема 5. Светоизлучающие приборы Тема 6. Реле

Литература 1. Борисенко, В. Е. Наноэлектроника : учеб. пособие / В. Е. Борисенко, А. И. Воробьева, Е. А. Уткина. – М. : Бином, 2009. 2. Borisenko, V. E. What is What in the Nanoworld. Second, Completely Revised and Enlarged Edition / V. E. Borisenko, S. Ossicini. – Weinheim : Wiley-VCH, 2008. 3. Guo, Zh. Fundamentals and applications of nanomaterials / Zh. Guo, L. Tan. – Artech House: Boston, 2009. 4. Cao, G. Nanostructures and nanomaterials: synthesis, properties and applications / G. Cao. – Imperial College Press: London, 2004.