Нанотехнологии - ударный вводный курс


Р. МАРТИН-ПАЛЬМА, А. ЛАХТАКИЯ





                НАНОТЕХНОЛОГИИ




УДАРНЫЙ ВВОДНЫЙ КУРС

Перевод с английского
Е.Г. Заблоцкой, А.В. Заблоцкого

Второе издание










4

Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2017

Р. Мартин-Пальма, А. Лахтакия
   Нанотехнологии — ударный вводный курс: Пер. с англ.: Учебное пособие / Р. Мартин-Пальма, А. Лахтакия — 2-е издание — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2017. - 208 с.
   ISBN 978-5-91559-238-3

   Книга международного научного Общества оптики и фотоники (SPIE) методично знакомит читателя с понятием «нанотехнологий», начиная с изложения основ квантовой механики, определяющей особые свойства малоразмерных объектов (электрические, магнитные, оптические, механические и т.д.) до описания методов производства, характеризации и применения различных видов наноструктур и наноматериалов.
   При небольшом объеме, издание содержит краткое и ёмкое описание практически всех современных технологий создания и методик исследования нанообъектов.
   Для студентов и преподавателей технических университетов, специалистов промышленных предприятий, а также широкого круга читателей, желающих ознакомиться с предметной областью нанотехнологий от А до Я.
   Первое издание на русском языке широко используется ведущими российскими университетами.

















ISBN 978-5-91559-238-3
ISBN 978-0-8194-8075-0 (англ.)


                                   © 2010, SPIE
                                   © 2017, 000 Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ












К читателю (предисловие к оригинальному изданию) .......7
Благодарности...........................................9

Глава 1
ВВЕДЕНИЕ.............................................. 11
   1.1. Определения................................... 11
   1.2. Что такое нанотехнологии и чего следует ожидать от них?............................................ 13
   1.3. Нанотехнологии и общество......................20
   Список процитированной литературы...................24
   Библиография........................................25

Глава 2
МАЛОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ................................26
   2.1. Краткий обзор принципов квантовой механики.....28
   2.2. Двумерные структуры: квантовые ямы.............32
   2.3. Одномерные структуры: квантовые проволоки и нанопроволоки.....................................41
   2.4. Нульмерные структуры: квантовые точки и наноточки.........................................47
   2.5. Краткое содержание главы.......................50
   Список процитированной литературы...................50
   Библиография....................................... 50

-ц, Оглавление

Глава 3
СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР.................................52
   3.1. Зонные диаграммы..............................53
   3.2. Электропроводность............................56
   3.3. Теплопроводность..............................63
   3.4. Магнитные свойства............................65
   3.5. Оптические свойства...........................70
   3.6. Механические свойства.........................76
   3.7. Краткое содержание главы......................79
   Список процитированной литературы..................80
   Библиография.......................................81

Глава 4
ПРОИЗВОДСТВО НАНОМАТЕРИАЛОВ...........................84
   4.1. Физическое осаждение из паровой фазы..........85
   4.2. Химическое осаждение из паровой фазы..........92
   4.3. Атомно-слоевое осаждение......................93
   4.4. Молекулярно-лучевая эпитаксия.................95
   4.5. Нанолитография................................97
   4.6. Нанопечатная литография..................... 100
   4.7. Сканирующая зондовая литография............. 101
   4.8. Литография фокусированными ионными и протонными пучками, ионное фрезерование........ 104
   4.9. Самосборка, самоорганизация и самособирающиеся монослои......................................... 106
  4.10. МетодЛенгмюра—Блоджетт...................... 108
  4.11. Послойная сборка............................ 110
  4.12. Прочие методы............................... 113
   Список процитированной литературы................ 115
   Библиография..................................... 116

Оглавление -i\r 5

Глава 5
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ НАНОСТРУКТУР И НАНОМАТЕРИАЛОВ..................................... 118
   5.1. Электроннаямикроскопия....................... 124
   5.2. Прочие электронные методы.................... 126
   5.3. Методы спектроскопии......................... 128
   5.4. Сканирующая зондовая микроскопия............. 134
   5.5. Магнитно-резонансные методы.................. 136
   5.6. Ионные методы: OPP (RBS), PIXE, ERDA, ВИМС (SIMS), NRA.................................. 138
   5.7. Прочие методы................................ 141
   Список процитированной литературы................. 143
   Библиография...................................... 144

Глава 6
ВИДЫ НАНОМАТЕРИАЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.................. 146
   6.1. Углеродные наноструктуры..................... 146
       6.1.1. Сферические фуллерены.................. 147
       6.1.2. Углеродные нанотрубки ................. 148
       6.1.3. Прочие углеродные наноматериалы........ 153
   6.2. Пористые наноматериалы....................... 154
       6.2.1. Пористый кремний ...................... 154
       6.2.2. Прочие пористые наноматериалы.......... 159
   6.3. Фигурные тонкие пленки....................... 160
   6.4. Аэрогели..................................... 166
   6.5. Полупроводниковые квантовые точки............ 171
   6.6. Пленки Ленгмюра-Блоджетт..................... 177
   6.7. Нанопроволоки, наностержни и наноколонны..... 179
   6.8. Полимерные нанокомпозиты..................... 188
   Список процитированной литературы................. 191
   Библиография...................................... 193

Оглавление

6

Глава 7
ПЕРСПЕКТИВЫ......................................... 196
   7.1. Потенциальные области применения нанотехнологий................................... 197
   7.2. История и прогноз развития нанотехнологий... 199
   7.3. Возможные риски..............................202
   Список процитированной литературы.................205
   Библиография......................................205

            К ЧИТАТЕЛЮ (ПРЕДИСЛОВИЕ К ОРИГИНАЛЬНОМУ ИЗДАНИЮ)







               Предположим, вы совсем недавно окончили институт со степенью бакалавра физических или технических наук и завтра в первый раз выходите на работу по специальности. И тут вам звонит ваш будущий начальник и спрашивает, не знаете ли вы что-нибудь случайно про нанотехнологии и не сможете ли вы взять на себя написание программы по повышению эффективности работы вашего отдела с их применением. Но либо в вашем вузе не было возможности пройти курс лекций по нанотехнологиям, либо вы в свое время по каким-либо причинам решили его не посещать. Ускоренный вводный курс по нанотехнологиям поможет вам освоиться с основными понятиями и осознать, от чего следует отталкиваться в дальнейшем.
       Предположим, вы аспирант на кафедре, защита на которой предполагает написание плана некоторого исследовательского проекта по актуальной научной проблематике объемом 5—10 страниц, тема которого выбирается и утверждается кафедральной комиссией. Допустим, назначенная вам тема пересекается с нанотехнологиями, но все что вы о них знаете, вы почерпнули из пары занятий в прошлом семестре. Ускоренный курс по нанотехнологиям поможет вам не только написать убедительное вступление к своей работе, но и познакомит вас с сопутствующей терминологией в достаточной мере для того, чтобы в дальнейшем свободно формулировать поисковые запросы на таких интернет-ресурсах как Google Scholar, Web of Science, Scopus и т. д.
       Предположим, вы кандидат наук, работающий в научном или промышленном исследовательском институте. Ваш руководитель попросил вас помочь одному талантливому студенту с летним проектом в области нанотехнологий, хотя эта тема никак не пересека

—I      К читателю (предисловие к оригинальному изданию)

    ется с вашей областью исследований. Пробежав глазами ускоренный курс по нанотехнологиям, вы сможете помочь своему подопечному освоиться с этим перспективным направлением.
       Предположим, вы недавно стали старшим преподавателем или доцентом. Вы собираетесь подавать заявку по программе государственной поддержки молодых ученых, но заведующий вашей кафедры считает, что вашей заявке не хватает некоторого «вау-факто-ра», который бы обеспечил ей стопроцентный успех. Вам советуют, что надо непременно добавить в нее что-нибудь «нано». Быстро освоив основные принципы и понятия нанотехнологий, вы сможете аккуратно окутать свою заявку притягательным «нано-ореолом».
       Предположим, вы научный сотрудник или профессор средних лет, переживающий кризис среднего возраста. Вместо того чтобы менять семью или, скажем, стиль жизни вы можете попробовать изменить свои научные интересы и направить их на молодую и активно развивающуюся область исследований. Ускоренный курс по нанотехнологиям поможет вам оценить свои текущие ресурсы и составить дальнейшие планы.
       Именно для таких случаев мы и убедили издательство SPIE Press опубликовать наше короткое и удобочитаемое введение в нанотехнологии. Конечно чтение книги «Нанотехнологии: ударный вводный курс» не превратит вас за одну ночь в звезду нанонауки, но мы надеемся, что оно сможет помочь вам направить вашу профессиональную деятельность в новом продуктивном направлении.
       Предположим, что у вас просто есть немного свободного времени. Вы хотите уделить его саморазвитию и открыть для себя что-то новое, но ваше финансовое положение не позволяет вам отправиться в путешествие на далекую часть света или, к примеру, приобрести аудио- или видеопособие по истории древних цивилизаций. Знакомство с нашей книгой, быть может, понравится вам и в этом случае. Ее всегда можно взять почитать в библиотеке, купить себе издание в твердом переплете или заказать электронную версию через сервис SPIE Digital Library.

Рауль X. Мартин-Пальма
Мадрид, Испания

                         Ахлеш Лахтакия Юниверсити-парк, Пенсильвания, США

            БЛАГОДАРНОСТИ










               Область нанотехнологий включает в себя знания из столь большого числа традиционных научных дисциплин, что все наши наставники, коллеги и студенты косвенно в ответе за выбор и способ изложения тем в нашем вводном курсе. Спасибо вам.
       Нам удалось убедить некоторых ученых и инженеров прочесть ранние версии этой книги и дать нам свои комментарии. Первыми среди них следует назвать Рассела Мессье (Университет штата Пенсильвания), знания которого в области морфологии тонких пленок поистине легендарны, и Карло Пантано (Университет штата Пенсильвания), сведущего в самых передовых достижениях материаловедения. Также мы хотим отметить помощь со стороны Фэй Вана (компания Micron Technologies, Inc.) и Хинеса Лифанте (Мадридский автономный университет), занимавшихся изучением нанотехнологий для различных проектов. Наконец, мы благодарим Мухаммада Фарияда (Университет штата Пенсильвания) за ценный для нас взгляд с позиций недавно окончившего университет аспиранта. Недовольные читатели вольны мысленно бросаться тухлыми яйцами и помидорами в нас, но не в этих прекрасных и уважаемых людей, чья единственная вина состоит в том, что они позволили нам называться их друзьями.
       Два рецензента, имена которых нам неизвестны, любезно изучили черновой вариант нашего курса. Мы постарались учесть большую часть их замечаний, а оставшуюся долю непременно примем во внимание, если нам будет суждено написать еще одну книгу — что, впрочем, в ближайшие 10 лет вряд ли случится.
       Мы хотим сказать большое спасибо Лие Будин за перерисовку для нас некоторых изображений. Отдельной строкой мы хотели

¹⁰ -V

Благодарности

    бы отметить вклад со стороны сотрудников издательства SPIE Press. Тим Лемкинс вдохновил нас на написание этой книги. Бет Келли помогла получить разрешения на использование изображений, взятых нами из других работ. Дара Берроуз опекала эту публикацию и прочесала рукопись, можно сказать, самым частым гребнем. Мы в долгу перед этими людьми и очень им благодарны.

ГЛАВА



            ВВЕДЕНИЕ



1

              Материалы, содержащие наноструктуры или обладающие выраженной морфологией на наномасштабе, повсеместно встречаются в природе. Такие наноматериалы, как например, белковые молекулы и ДНК, во множестве присутствуют в организме читателя. Наночастицы также присутствуют в дыме костров, вулканическом пепле, морских брызгах и т. д. В течение нескольких тысячелетий наноматериалы использовались человечеством для изготовления цветного стекла и керамических изделий. Наночастицы также традиционно применяются для катализа; кроме того, уже около ста лет производятся наноразмерные тонкие пленки для оптических устройств.
       Принципиально новое достижение последних двух-трех десятилетий заключается в резком увеличении нашей способности к изготовлению наноструктур и наносистем с крайне высокой степенью контроля над этим процессом и использованием для этих целей широкого ряда разнообразных технологических методов. Это сопровождается аналогичным расширением наших возможностей в области характеризации структур и систем на наномасштабе. По существу, многие из предложенных еще в начале XX в. идей удалось реализовать на практике лишь недавно благодаря появлению таких прецизионных методов производства и анализа малоразмерных структур как молекулярно-лучевая эпитаксия и сканирующая туннельная микроскопия.


        1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

              Термин «нанотехнологии» был введен в 1974 г. профессором Токийского университета Норио Танигути [1] при описании им своего представления о возможности воздействия на

—I Глава 1. Введение

    материю на атомном и молекулярном уровнях, открывающейся с развитием полупроводниковой индустрии. Это предвидение было по большей части реализовано в течение последующих четырех десятилетий с постепенным уменьшением толщины оксидного слоя затвора в МОП (метал—оксид—проводник) транзисторах — основных устройствах микроэлектроники — до 2 нм. Последующие технические достижения сделали возможным создание структур, обладающих наноразмерными пространственными характеристиками в двух и трех измерениях.
       Нанонаука и нанотехнологии стали основной темой перспективных разработок десятилетнего плана физических исследований, опубликованного в 1999 г. Национальным исследовательским советом США [2]. Нанообъекты двулики подобно римскому богу дверей Янусу: материя на наномасштабе уже начинает обладать непрерывными (макро-) свойствами и одновременно с этим молекулы и их кластеры «небольшого» размера все еще проявляют индивидуальное поведение. Столь многообещающие качества нанообъектов и послужили причиной, по которой федеральное правительство США начало стимулировать исследования в области морфологий и архитектур материалов с пространственными величинами меньше 100 нм по крайней мере в одном измерении. Согласно Национальной нанотехнологической инициативе США [3],

           Нанотехнологии — это область понимания и управления материей на масштабе примерно между 1 и 100 нм, на котором наблюдается ряд уникальных явлений, обладающих инновационными техническими возможностями для практических применений. Являясь сочетанием научно-теоретического и инженерно-практического знания о наномире, нанотехнологии включают в себя методы визуального отображения, измерений, моделирования и воздействия на материю на данном масштабе.


       Бюро по регистрации патентов и торговых марок США в 2006 г. постановило, что [4]:

           Термин «нанотехнологии» относится к исследовательскому и технологическому развитию на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, осуществляемому на диапазоне длин примерно 1 —100 нм по крайней мере водном измерении,

1.2. Что такое нанотехнологии и чего следует ожидать от них? —i

    а в 2007 г. дало следующее определение понятию «наноструктура» [5]:

           Наноструктура — атомная, молекулярная или макромолекулярная структура, удовлетворяющая следующим требованиям:
           •     по крайне мере одно ее физическое измерение имеет величину примерно 1 —100 нанометров;
           •     данная структура обладает особыми свойствами, особыми функциями или вызывает особые эффекты, которые нельзя объяснить одними лишь ее малыми физическими размерами.

       Был предложен и ряд других определений. Королевское общество и Королевская инженерная академия наук Великобритании придерживаются точки зрения, по которой собственно «наноразмерные» длины лежат на интервале от 0,2 до 100 нм [6]. После пересмотра этого и других определений Чарльзом Тахэном [6] из Кембриджского университета было предложено следующее положение:

           Нанотехнологии в настоящий момент представлены наночастицами и наноматериалами, содержащими наночастицы. Наночастицы определяются как объекты или устройства, размеры которых, по крайней мере, в двух измерениях лежат на наномасштабе (как правило, менее 10 нм), и которые обнаруживают новые свойства, физические, химические или биологические, либо изменяют свойства макроматериалов вследствие своего размера. В будущем к нанотехнологиям будут относиться активные устройства, спроектированные на атомном и молекулярном уровнях.



        1.2. ЧТО ТАКОЕ НАНОТЕХНОЛОГИ И И ЧЕГО СЛЕДУЕТ ОЖИДАТЬ ОТ НИХ?

            Для примера возьмем отрезок нити длиной в один дюйм и разрежем его на 25 равных частей, а затем разрежем один из полученных кусочков еще на миллион частичек. Длина таких крошечных отрезков и будет составлять порядка одного нанометра. На рис. 1.1 приведена популярная размерная шкала, помогающая яснее представить себе типичные величины наномасштабных объектов. Сверхтонкие пленки и покрытия характеризуются нанораз-

¹⁴ А

Глава 1. Введение

  мерными величинами в одном измерении, нанопроволоки и нанотрубки — в двух измерениях, а наночастицы — во всех трех измерениях.

■ Естественные объекты

Сравнительная шкала микро- и нанообъектов

Зольная пыль ~10—20 мкм

Муравей ~5 мм

10 ²м

10 ⁴м

10 ³м

Пылевой клещ
200 мкм

Человеческий волос ~60—120 мкм в ширину
Красные кровяные тельца (~7—8 мкм)

диаметром ~10 нм

АТФ-синтаза

ДНК диаметром ~2—1/2 нм

Атомы кремния шаг решетки 0,078 нм

2 10⁻⁵ м

f¹⁰⁻

1 см
10 нм

10⁶ нм = 1 мм

Микроволновое излучение
_0,1 мм
100 мкм

____0,01 мм 10 мкм

Инфракрасное излучение — 10³ нм = 1 мкм
Видимый свет

)⁻⁷ м

О 10⁻⁸ м

     0,1 мкм
     100 нм
   Ультрафиолетовое излучение
____0,01 мкм
     10 нм

| 10⁻⁹м

10⁻¹⁰м

В Мягкое - рентгеновское - излучение ---0,1 нм

Искусственные объекты

Булавочная головка 1—2 мм

   П Пыльцевое зерно Красные кровяные тельца
Зонная пластинка рентгеновской «линзы» расстояние между внешними кольцами ~35 нм

Микроэлектро-механические (МЭМС) устройства шириной 10—100 мкм

Актуальная зада

Создание нанораз-мерных сочетаемых между собой блоков для сборки практических устройств (например, полупроводниковое запоминающее устройство со встроенным фотосинтетическим реакционным центром)

    Углеродный бакибол
    диаметром ~1 нм

Самособирающаяся структура, подобная природным, десятки нанометров

Электрод на основе рубок

__ Квантовый загон
(диаметром 14 нм) из 48 атомов железа, поштучно расположенных на медной поверхности при помощи иглы СТМ

Углеродная нанотрубка диаметром ~1,3 нм

| 10 ⁶

м

     Рис. 1.1. Сравнительные размеры некоторых микро- и наномасштабных объектов (по материалам министерства энергетики США http:// www.nano .gov/html/ facts/nanoscale.html)


   Совокупность научного знания и технологий, относящихся к наномиру, называется нанотехнологиями. Это стремительно развивающаяся научная область, привлекающая к себе невероятный исследовательский интерес на протяжении последних двух десятилетий. Термин «нанотехнологии» не относится к описанию каких-либо отдельных процессов или определенных видов материалов, а используется для обозначения всех аспектов, связанных с производством материалов, устройств и систем посредством воздействия на материю на наномасштабе.