Структура и свойства наноразмерных образований. Реалии сегодняшней нанотехнологии

Н.Г. РАМБИДИ

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА 
НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

РЕАЛИИ СЕГОДНЯШНЕЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Н.Г. Рамбиди
Структура и свойства наноразмерных образований. Реалии сегодняшней нанотехнологии: Учебное пособие / Н.Г. Рамбиди – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 376 с.
ISBN 9785915590891

Учебное пособие по физическим и химическим основам нанотехнологий детально описывает структуру и свойства наноразмерных образований, которые активно
изучаются на протяжении последних десятилетий и используются на практике. К
ним относятся наноразмерные частицы, большие (в том числе полимерные) молекулы, атомномолекулярные комплексы с направленно созданной структурой —
квантовые точки, нанотрубки, тонкопленочные гетероструктуры, молекулярные
кластеры. Основное внимание уделено выявлению физических механизмов, ответственных за возникновение новых свойств при переходе от «макровещества» к наноструктурам, построенным из тех же самых атомных и молекулярных элементов,
что и вещество.
Подробно рассмотрено соотношение научных идей и практического выхода исследований в области нанотехнологий. Обсуждаются существенные затруднения в
реализации экономически выгодных промышленных инноваций.
Учебное пособие будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям физических и химических факультетов, а также исследователям и разработчикам новых
технологий.

ISBN 9785915590891
© 2010, Н.Г. Рамбиди
© 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
оригиналмакет, оформление

 Технологический принцип «сверху вниз»

Проект
Технология
Производство
Изделие

Технологический принцип «снизу вверх»

Первичные
элементы

Элементарные
процессы

Возникающая
система

Возникающие
свойства

Изделие

!"#

CH
CH
CH
CH +
2=
— =
=
2
2
CH
CH

бутадиен
стирол

[ CH
CH
CH
CH
CH
CH
2
2
2
—
—
—
—
]
=
n

бутадиен стирольный каучук
CH3

(1)
(2)
CH
C
2=

(3)CH
C
H
= (4)
2

изопрен

—
— —
CH
C
2

CH3

CH
CH
=

n

1 2,
полиизопрен

CH
C
2= —

CH3

—
—
—
CH
CH2

3,
полиизопрен
4n

CH3

C
C
=

CH2—

—H C
2
H

n

транс1,
полиизопрен
4CH3

C
C
=

H

—H C
2
СH2—
n

цис1,
полиизопрен
4Натуральный каучук

!!!""#$#%&'
!###()#"*#%&!!+!,#!!##'
##&!'
-!"!#.%&'
!'
#$!!+/0%/1$&"!#"!23а
б

в

!"#$%$!$&%Электронная пушка

Исследуемый
объект

Электронная
оптика

Изображение

Первичный поток электронов

Обратное рассеяние

Рентген
Катодолюминесценция

Вторичные электроны
Ожеэлектроны

Неупругорассеянные
электроны
Упругорассеянные
электроны

Нерассеянные электроны

5 мкм

2 мкм

а
б

в

г

Электронная пушка

Электронная
оптика

Изображение

Исследуемый
объект

 Образец

VDC

Туннельный ток

Пьезоэлемент

Игла
Иглаобразец (
1 нм)
<

Перемещение
образца

2 нм

а

б

а

б
в

г

Образец

Перемещение образца

Лазерный луч

Кантилевер

Кантилевер

Острие

50 мкм

!$%&'$%(%"#)
'%*#&$!"%+,*!+&$$-,%$.

#!."."!24//567,!'
+$!#3"#!!8!%
!#
9'&!1/!&35+!+3'
+""$!#!0/0/:00//%'
0/0///;
+#'
0!2.'
3!#'
"!<&##'
#&#=""&''
.+'
!.!
#+'
!!2#>!!00//3#!'
!*"'
#3+!00//:0/%0/;#+!#>'
+:!=.8;:'
;'
"#>'
 3"#+'
&

/!$%&'$%(%"#)+"%*$)%+$%$0#$1#0##'$%2#*!$$%0(%3$#)

Нанотехнология

Химия
Биология

Физика
Техника

Синтез
Молекулярное
распознавание

Иммобилизация
Генная
инженерия

Наноструктурирование
Связь

Оптика
Электроника

Полимеры
Белки

Твердое тело
Поверхность
Устройства

Молекулы
Клетки

.%&+#",'
!#'
3>#"
Антенна
Электроника

Двигатели

Детектор
ионов

Магнитометр

Наноспутник

Носитель
наноспутников

!""!#!""$%
&
$3'"&#
!!&33#'
#!!#'
5!#%&!"?/'>'
#.#!#"!&>"##'
%!%&'
!'
"' 3'
+#*#"!"#@!!'
"!+!,!"#)##'
"#>!2&0?/!#$#!+3>!+!#
 !#&!*3"&!3!0A/!#>!+%+!+3$!2B
$&##'
"#)'
!$3#"*3''&"+'#5!'
5.@,!+!2+!+'
8"!!#!C5!45467$%"%%8#+&%##9#+(#&(.$'+*+&D!!!&"'
#)')#!!!!!
#&

Вычислительная машина

Аналоговая
Цифровая

Фиксированные функции
Хранимая программа

Электронная
Неэлектронная

Универсальная
Специализированная

Арифметикологическое
устройство

Устройство
управления

Память
Система
ввода—вывода
данных

Шина

Оперативное
запоминающее
устройство

Кэшпамять

Дисковая
память

Память
на магнитной
ленте

Процессор

Шина

Память

%(,0%%*$#:%0#8%;
%(<1#)=(:&%$#:U

r

2s
2s
Li2

U

r
2s
2s
Li8

U

r
2s
2s
LiУровень Ферми:
наивысшая занятая
молекулярная орбиталь
при 0 К

Зона
проводимости

Валентная
зона

Перекрывающиеся
заполненная
и
незаполненная
зоны

Зона
проводимости

Валентная
зона

Энергетическая
щель

Проводник
Изолятор

Зона
проводимости

Валентная
зона

Энергетическая
щель

Полупроводник

Зона проводимости

Электроны

Зона проводимости

Уровень
Ферми

Валентная зона
Валентная зона

Дырки
Уровень
Ферми

nтип
pтип

Полупроводники и типов
р
n

Si

Si
Sb
Si

Si

Si

Si
B
Si

Si

nтип
pтип
Дефектыдоноры
создают свободные
электроны
Дефектыакцепторы
создают дырки

–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–
–
–
–

+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+

pтип
nтип

Неподвижные
заряды

Дырки
Электроны

–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–
–
–
–

+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+

+
+
+
+
+
+
+

Область, обедненная
основными носителями
заряда

+Ve

–Ve

Плотность заряда

Расстояние

pтип
nтип

–
+

+

+
+

+

+
+

+

+

+

+

–

–

–

–

–

–
–
–
–

–

(+)
(–)

Прямое смещение

pтип
nтип

(–)
(+)

Обратное смещение

+

+ +
+

+
+
+

–
–
–
–
–
–

–

а
б


Эмиттер
Коллектор

База

–
+

n
n
p

n

–
Исток

n

–
Сток

p

–
–
n
–
–
n
–
–
–

–
–
–

–

–
–
+

+

+ +

+
+
+
+ + +

+

+
+

+ + + + + + +

p

Биполярный
транзистор

Полевой
транзистор

Затвор

 /(!$!$!)0%(,0%%*$#:%!)&'$%(%"#)+%830#>$!$##%"!$#9$#)

Источник
излучения

Источник
излучения

Фотошаблон

Фоторезист

Контактная литография

Проекционная литография

'()**Цикл 0

Изготовление полупроводниковой пластины (диска)
Разработка топологии ИС
Изготовление фотошаблонов

Оксидирование
Фотолитография
Травление
Эпитаксиальное выращивание
Легирование
Металлизация
Испытания

Разделение полупроводниковой пластины на отдельные
кристаллы
Посадка кристалла на носитель
Присоединение проволочных выводов
Сборка в корпусе
Испытания

Исходные материалы
Функции реализуемой ИС

Полупроводниковые пластины
Фотошаблоны

Полупроводниковая пластина
со сформированной на ней ИС

Кристаллы ИС

Цикл 1

Цикл 2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Фоторезист

Фотошаблон

а
г

б
д

в
е

Кремний

SiO2

Алюминий

Кремний

SiO2

Фоторезист

Кремний

SiO2

Фотошаблон

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

Кремний

SiO2

а
г

б
д

в
е

Глицидилметакрилат
Этилакрилат

—
—
—
CH
CH
CH
CH
—
—
2
n

CH3

C=
=
CH +  CH
CH
2
2

C=О

CH
CH
CH
2
2
—
—
—О

О
C=О

О—
—
CH
CH
2
3

CH3

C=О

CH
CH
CH
2
2
—
—
—О

О
C=О

О—
—
CH
CH
2
3

{

{

Полиметилметакрилат

— —
—
—
—
C
CH
CH
CH2
2
n

CH3

C=О

О—CH3

C=О

О—CH3

{

{

CH3

— —
C

CH3

C=О

О—CH3

—
—
CH
CH
CH
2
2
=
, СО, СО ,
2
3
— —
C

CH3

,

'()"#&%&#&%
*"$&#&

W

Падающая
плоская волна
Дифрагирующий
свет

Подложка

Фоторезист
Интенсивность света
на поверхности резиста

1:13 нм

Лазер

Источник
ксенона
Фокусирующее
зеркало
Проекционная
оптика

Маска

Чип

+&$ЭВМ

Интерфейсные
цифровые
и аналоговые
схемы

Управление включением
и выключением луча

Магнитная
отклоняющая
система

Электронный
детектор

Координатный
столик
Обратная связь контроля
положения столика

4?@A4B@CD4!$+"$$!)#$2$#)

'
'
!!!""#>%&!##
#()'
#"'
=#%&!!+'
!,#!!'
####'
&!'

-!"!#Клеточная мембрана

Ядро

Рибосомы
Липосомы
Митохондрии

Аппарат Гольджи

!#:=.8;,!!!О

О
О
— —
Р

О

NH2

N

N
О

O

OH

CH2

Основание

Фосфатная группа

Дезоксирибоза

A

T

C

G
C

G

A

T

Ковалентные
связи

Водородные
связи

а
б

С

С
С

С

С

С1

N

O

N

O

H

H
H
H

H

С

С
С

С

С

С1
N

N

H

H

H

H

N

N

N

0,28 нм

0,30 нм

1,11 нм

Тимин

Аденин

С

С
С

С

С1

N

O

N

O

H

H

H

H

H

С
С
С

С
С1
N

N

H

H

H
N

N

N

1,08 нм

Цитозин
Гуанин
N

С

0,29 нм

0,30 нм

0,29 нм

 Pst 1
3609

Pvu 1
3735

Sca 1
3846

Eco R 1
4361
Bam 1
375
Sal 1
651

Bsp M 1
1063
Ген устойчивости
к ампициллину

Ген устойчивости
к пенициллину

Места, по которым плазмида может быть разрезана
соответствующими рестриктазами

pBR322
плазмида

!$+0(!$&!1#):(&%9$')*;:(%$#%!$#/4EC4EЧисленный анализ
Химия

Биохимия
Физика

Химическая
инженерия
Биология

Нанотехнология
Биоинженерия

Моделирование

Материалы Секвестирование
Диагностика

НАНОБИОЛОГИЯ

/#%9#0;=FF:&#$%!$!(#&#9+:%+*+&%

/4%(:,()$7%&%Молекула
актина
G

АТФ

Молекула актина
F

37 нм

240 А80 АСечение молекулы

Альфатубулин

Бетатубулин

Молекулярные движители

Кинезин
Динеин

а

б

в

г

E!C5+C!*!!'
#&!'
$-3'
&3"!3"#'
*&FFG8#!3"+&3"Микротрубочка
Минус (–)
Плюс (+)

Динеин
Кинезин

рН

50 нм

10 нм

рН

а
б

рН

50 нм

а

б

Кислая среда
Щелочная среда

230 нм

рН 2,5
рН 8,1