Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов

ВВЕДЕНИЕ В ФЕМТОНАНОФОТОНИКУ
фундаментальные основы и лазерные методы 
управляемого получения и диагностики  
наноструктурированных материалов

Под общей редакцией С.М. Аракеляна

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации 
по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного 
пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 
200400 (200200) «Оптотехника», 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», 
200700 (200600) «Фотоника и оптоинформатика» и специальностям 200200  
«Оптотехника» и 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии»

Москва • 2020• Логос

УДК 535.015
ББК 3.22.34

А79

Рецензенты
В.А. Быков, доктор технических наук, профессор, заместитель директора по науке 
научно-исследовательского института физических проблем им. Ф.В. Лукина, заместитель 
заведующего кафедрой микро- и наноэлектроники ФФКЭ МФТИ
С.П. Зимин, доктор физико-математических наук, профессор кафедры микроэлектроники 
и общей физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова

Аракелян С.М.
Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы 
управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов: учебное 
пособие / С.М. Аракелян, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Рау, А.Г. Сергеев; под 
общ. ред. С.М. Аракеляна. – М.: Логос, 2020. – 744 с.

ISBN 978-5-98704-812-2

Изложены базовые принципы и фундаментальные основы современной фемтонанофотоники с акцентом на перспективы практического использования ее достижений. Рассмотрены вопросы статистической физики и термодинамики наноструктур с применением методов математического моделирования их  направленного конструирования. Приведены результаты по лазерному синтезу нанокластерной материи – обсуждаются основные подходы и характеристики, включая лазерно-индуцированное возбуждение нелинейных гидродинамических явлений со стохастическим поведением и фрактальных структур в различных материалах в гибридных экспериментальных схемах, а также методы  лазерной диагностики в реальном масштабе времени развития 
нелинейных динамических процессов и методы электронной и зондовой микроскопии. Про- 
анализированы структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния 
при управляемом лазерном формировании наночастиц на поверхности твердых тел, в том числе 
в аспекте проявления размерных эффектов и их квантовых аналогов. Затронуты вопросы метрологического обеспечения нанотехнологий и наноизмерений. 
Для студентов, обучающихся в высших учебных заведениях по направлениям подготовки 
«Оптотехника», «Лазерная техника и лазерные технологии», «Фотоника и оптоинформатика», 
специальностям  «Оптотехника» и «Лазерная техника и лазерные технологии». Для преподавателей вузов, обеспечивающих проведение учебных занятий в области нанотехнологий и связанной 
с ними тематикой. Представляет интерес для ученых и специалистов, разрабатывающих проблемы фемтонанофотоники.

УДК 535.015
ББК 3.22.34

ISBN 978-5-98704-812-2
© Аракелян С.М., Кучерик А.О., Прокошев В.Г.,
    Р
    ау В.Г., Сергеев А.Г., 2020
© Логос, 2020

А79

ОглАВлЕНИЕ

Предисловие....................................................................................................................12

Часть I. Фундаментальные основы термодинамики и статистической  

физики наноструктур и методы математического моделирования  
направленного их конструирования ...........................................................18

Введение ..........................................................................................................................18

Глава 1. Статистическая физика .....................................................................................21

1.1. Фазовое пространство термодинамической системы....................................21
1.2. Распределение молекул газа по объему (распределение Пуассона).............25
1.3. Распределение вероятностей по проекциям скоростей молекул  

идеального газа (распределение Максвелла I)...............................................27

1.4. Распределение вероятностей по величине скорости молекул  

идеального газа (распределение Максвелла II)..............................................30

1.5. Распределение вероятностей по величине энергии  молекул  

идеального газа. Теорема о средней кинетической энергии.........................32

1.6. Классическая статистика. Распределение Максвелла – Больцмана.............33
1.7. Микрообъекты. Распределение состояний по энергии в фазовом  

пространстве......................................................................................................38

1.8. Статистика фермионов. Распределение Ферми–Дирака ...............................41
1.9. Статистика бозонов. Распределение Бозе – Эйнштейна ...............................47
1.10. Явления сверхтекучести жидкости и сверхпроводимости вещества  

с точки зрения статистики................................................................................52

Глава 2. Термодинамика ..................................................................................................55

2.1. Функции состояния термодинамической системы........................................55
2.2. Энергетический баланс в термодинамической системе.  

Первый закон термодинамики .........................................................................58

2.3. Термодинамические изопроцессы...................................................................63
2.4. Циклические процессы. Второй закон термодинамики................................64
2.5. Характеристические функции. Термодинамические потенциалы ...............70
2.6. Тепловая теорема Нернста. Принцип недостижимости абсолютного  

нуля температур. Способы получения низких температур...........................75

2.7. Система в термостате. Распределение Гиббса ...............................................77
2.8. Связь статистической физики и термодинамики. Формула Больцмана 

для энтропии......................................................................................................80

2.9. Уравнение состояния реального газа Ван-дер-Ваальса.  

Межмолекулярное взаимодействие.................................................................84

Оглавление

2.10. Многофазные гетерогенные системы. Правило фаз Гиббса.......................88
2.11. Нелинейные процессы в термодинамике. Тепловые структуры.  

Понятие о синергетике. Кинетическое уравнение Больцмана......................93

2.12. Кристаллическое состояние вещества. Моделирование роста  

кристаллов. Наноструктуры...........................................................................104

Выводы....................................................................................................................122
Тестовые вопросы и задания.................................................................................125
Список литературы.................................................................................................134

ЧАСТЬ II. лазерный синтез нанокластерной материи –   

основные особенности, методы и характеристики ............................136

Введение .........................................................................................................................136

Глава 3. Лазерные методы получения наноструктурированных материалов...........143

3.1. Осаждение методом PVD (Physical Vapor Deposition).................................145
3.2. Осаждение методом CVD (Chemical Vapor Deposition)...............................146
3.3. Подходы на основе возбуждения лазерной плазмы.....................................147
3.4. Образование пространственно-неоднородных структур  

из жидкой фазы ...............................................................................................148

3.5. Общие представления об эффекте лазерной абляции .................................152
3.6. Лазерная абляция материала в жидкостях....................................................160
3.7. Лазерное осаждение металлов из растворов................................................163
3.8. Активация поверхности подложки ...............................................................165
3.9. Активация поверхности подложки физическим механизмом.....................167
3.10. Химическая активация поверхности подложки .........................................168
3.11. Лазерные методы получения полупроводниковых наночастиц................168
3.12. Формирование субмикронных и наноструктур на поверхности  

углеродосодержащих материалов под действием лазерного  
излучения.........................................................................................................169
3.12.1. Наночастицы, нанокластеры, наноструктуры и методы их  

получения в поле лазерного излучения............................................170

3.12.2. Аллотропные формы углерода. Углеродные нанотрубки................170
3.12.3. Получение нанотрубок и наноструктур............................................177

Глава 4. Лазерный синтез нанокластерных структур – коррелированные  
состояния и аналоги.......................................................................................................182

4.1. Распространение света в сильно неоднородной среде − аналогия  

с явлением андерсоновской локализации для электронов и квантовыми 
макроскопическими состояниями конденсации ..........................................183

4.2. Образование кластеров. Основные физические следствия для  

наноструктурированных материалов............................................................191

4.3. Электропроводимость наноструктурированных слоев ...............................200

Оглавление
5

4.4. Роль поверхностных эффектов в развитии структурных фазовых 

переходов при наноструктурировании материалов.....................................204

4.5. Аналогия с коррелированными состояниями конденсированной среды...213

4.5.1. Коррелированное состояние ансамбля наночастиц...........................213
4.5.2. Аналогия с квантовыми фазовыми переходами.................................218

4.6. Кинетический подход к анализу  физических механизмов,  

ответственных за лазерно-индуцированное формирование ансамбля  
наночастиц.......................................................................................................221

4.7. Итоговое обсуждение......................................................................................225

Глава 5. Структурные фазовые переходы. Эксперимент и методы анализа.............226

5.1. Эксперименты по лазерному возбуждению наноструктур  

и результаты их диагностики.........................................................................226
5.1.1. Образование ансамбля наночастиц с бимодальным 

распределением по размерам при воздействии непрерывного  
лазерного излучения на полупроводниковые пленки PbTe ..............227

5.1.2. Лазерный синтез кластеров в коллоидных растворах  

и основные их характеристики............................................................231

5.1.3. Формирование металлоуглеродных соединений в процессе  

лазерного воздействия..........................................................................236

5.1.4. Образование наноструктурированной поверхности  

на подложке при лазерной абляции с поверхности мишени ............240

5.1.5. Исследование титановых тонких пленок, полученных  

при фемтосекундной лазерной абляции .............................................241

5.2. Теоретическая интерпретация экспериментов и процедуры расчета ........246

5.2.1. Бимодальное распределение наночастиц в рамках  

дефектно-деформационной модели и возможные ее следствия  
для описания локализации коррелированных состояний  
в кластерных системах .........................................................................246

5.2.2. Использование методов фрактальной геометрии для анализа  

морфологических свойств и управления качеством  
получаемого информационного наноструктурированного  
массива по результатам АСМ-измерений...........................................255

5.2.3. Преимущества метода...........................................................................264
5.2.4. Диффузионные процессы в коллоидных системах. Эффекты  

фрактальной размерности....................................................................264

5.2.5. Наноструктурирование поверхности при лазерной абляции –  

общий анализ в рамках кластерного подхода на основе  
методов фрактальной геометрии.........................................................267

5.3. Электрофизические свойства металлических/полупроводниковых  

микроконтактов кластерного типа на твердой подложке, полученных  

Оглавление

методом лазерного осаждения фрактальных структур  
наночастиц из коллоидных систем....................................................268

5.3.1. Электрофизические свойства наноструктур ......................................269
5.3.2. Эксперимент..........................................................................................271
5.3.3. Фрактальная модель и обсуждение.....................................................273
5.3.4. Основные физические следствия для наноструктурированных  

электропроводящих слоев и перспективы дальнейших  
исследований.........................................................................................278

5.4. Оптоэлектронные свойства биметаллических комплексов благородных  

металлов...........................................................................................................282
5.4.1. Методика эксперимента по осаждению биметаллических  

кластеров; оценки влияния размерных эффектов..............................284

5.4.2. Условия и результаты эксперимента по лазерной абляции  

наночастиц из коллоидной системы....................................................286

5.4.3. Оптические свойства осажденных структур......................................289

Выводы....................................................................................................................291
Тестовые вопросы и задания.................................................................................293
Список литературы.................................................................................................294

Часть III. Микро- и наноструктуры. гидродинамические неустойчивости,  

индуцированные лазерным излучением на поверхности  
твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой  
микроскопии ..............................................................................................308

Введение .........................................................................................................................308

Глава 6. Основные методы лазерной диагностики лазерно-индуцированных  
неоднородных структур в ванне расплава на поверхности твердого тела ...............311

6.1. Методы диагностики лазерно-индуцированных процессов .......................312
6.2. Лазерная диагностика поверхности твердого тела, облучаемой  

мощным лазерным излучением, при помощи усилителя яркости  
оптических изображений ...............................................................................316

6.3. Экспериментальная схема и методика измерений .......................................318
6.4. Гидродинамика формирования микроструктур при лазерном  

воздействии на вещество................................................................................326
6.4.1. Гидродинамические процессы в ванне расплава...............................326
6.4.2. Математическая модель термокапиллярной конвекции....................327
6.4.3. Математическое моделирование динамических процессов  

при образовании структур и неустойчивостей на поверхности  
твердого тела при расплаве вещества....................................................331

6.4.4. Экспериментальные результаты..........................................................335

6.5. Лазерный синтез углеродных наноструктур на поверхности твердого 

тела ...................................................................................................................340

Оглавление
7

6.5.1. Экспериментальная методика..............................................................341
6.5.2. Образование микро- и наноструктур на поверхности  

стеклоуглерода при лазерном воздействии ........................................345

6.5.3. Особенности структуры поверхности углеродосодержащих  

материалов после кристаллизации расплава вещества  
при воздействии лазерным импульсно-периодическим  
излучением ............................................................................................358

Глава 7. Плавление графита при лазерном воздействии на его поверхность  
и диагностика динамических процессов в реальном масштабе времени  
в атмосферном воздухе..................................................................................................364

7.1. Методика эксперимента..................................................................................364
7.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение.......................................365
7.3. Процедура восстановления трехмерного рельефа поверхности  

по ее двумерным изображениям....................................................................368

7.4. Плавление углерода при лазерном нагреве образца в атмосферном  

воздухе..............................................................................................................376

7.5. Исследование поверхности образцов после лазерного воздействия..........379

7.5.1. Комбинационные спектры образцов после лазерного  

воздействия............................................................................................380

7.5.2. Контроль состояния  нагреваемой лазерным излучением  

поверхности графита с помощью лазерного монитора 
и оптического микроскопа ...................................................................382

Глава 8. Формирование углеродных субмикронных структур и наноструктур  
на поверхности холодной подложки при воздействии лазерного излучения  
на углеродосодержащие материалы в атмосферном воздухе ....................................387

8.1. Тепловая и гидродинамическая модели лазерной абляции.........................387
8.2. Экспериментальная методика ........................................................................391
8.3. Наблюдение динамики процесса лазерной абляции и осаждения  

частиц на подложку в реальном масштабе времени при помощи  
лазерного монитора.........................................................................................394

8.4. Исследование области осаждения аблированных частиц на подложке  

при помощи сканирующего зондового микроскопа ....................................395

8.5. Формирование субмикронных структур и наноструктур в слоистой  

углеродосодержащей системе подложка из кварцевого стекла-металл .........397

8.6. Результаты экспериментов..............................................................................400
8.7. Формирование наноструктур на поверхности холодной подложки  

при воздействии импульсно-периодического излучения с наносекундной 
длительностью импульсов .............................................................................401

8.8. Экспериментальное сопоставление процессов лазерной абляции  

твердых мишеней в воде и воздухе при пикосекундной длительности  
импульсов.........................................................................................................405

Оглавление

8.9. Способ осаждения частиц из плазменного эрозионного факела   

управляемым геометрическим макрораспределением................................407

8.10. Характеристики формирующихся наноструктур на поверхности  

холодной подложки при воздействии непрерывного лазерного  
излучения.........................................................................................................408

Глава 9. Нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости,  
возбуждаемых лазерным излучением.  Фрактальные свойства поверхности..........412

9.1. Гидродинамические неустойчивости ............................................................412
9.2. Пространственные характеристики оптического изображения области  

лазерного воздействия на поверхность вещества........................................416

9.3. Распределение энергии по пространственным частотам 

для гидродинамического процесса в области лазерного воздействия.......419

9.4. Количественные характеристики оптических изображений области  

лазерного воздействия....................................................................................420

9.5. Формирование волновых структур на поверхности расплава  

при импульсно-периодичном лазерном воздействии ..................................425

9.6. Нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости,  

возбуждаемых лазерным излучением. Фазовые портреты колебаний.......426

9.7. Временные характеристики гидродинамических неустойчивостей,  

индуцированных  мощным лазерным излучением. Восстановление  
фазового портрета...........................................................................................429

Выводы....................................................................................................................439
Тестовые вопросы и задания.................................................................................441
Список литературы.................................................................................................444

Часть IV. гибридные лазерные методы получения и осаждения наноструктур 

композитного состава с управляемой морфологией на поверхности  
твердых тел; моделирование динамических процессов......................457

Введение .........................................................................................................................457

Глава 10. Формирование микро-  и наноструктурированных углеродных  
поверхностей на прозрачной подложке за счет использования газодинамического 
канала, по которому происходит транспортировка испаренного вещества  
при лазерном воздействии.............................................................................................459

10.1. Методика эксперимента................................................................................459
10.2. Исследование процессов формирования протяженных массивов  

наноструктур в процессе возбуждения плазмы при воздействии  
непрерывного лазерного излучения..............................................................461

10.3. Исследование процессов формирования пленок на поверхности  

холодной подложки при воздействии на образцы импульсно- 
периодического лазерного излучения с миллисекундной  
длительностью импульсов .............................................................................461

Оглавление
9

10.4. Исследование процессов формирования пленок на поверхности 

подложки при воздействии на образцы импульсно-периодического  
лазерного излучения с наносекундной длительностью импульсов...........465

10.5. Исследование процессов формирования пленок на поверхности  

подложки при воздействии на образцы импульсно-периодического  
лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульсов.........467

10.6. Моделирование распространения испаренного вещества в канале,  

образованном мишенью и подложкой...........................................................470

10.7. Управляемый метод осаждения частиц из лазерного плазменного  

эрозионного факела в твердотельной структуре со сложным/ 
периодическим рельефом...............................................................................473

Глава 11. Лазерный синтез углеродных нановолокон и нанокластеров в схемах  
с внешними электрическими и магнитными полями.................................................477

11.1. Лазерный синтез наноструктур в присутствии постоянного  

электрического поля........................................................................................477

11.2. Воздействие лазерного излучения на углеродные образцы  

в присутствии неоднородного магнитного поля..........................................481

11.3. Исследование структурных свойств осаждения с применением  

методов фрактальной геометрии ...................................................................484

11.4. Исследование осажденного слоя методами КР-спектроскопии................485
11.5. Моделирование процесса образования нановолокон.................................486

Глава 12. Создание наноструктурированных композиционных металлоуглеродных 
материалов при управляемом лазерном воздействии на порошковые системы  
из углеродных нанотрубок и наночастиц металлов....................................................488

12.1. Описание эксперимента................................................................................488
12.2. Формирование металлоуглеродных соединений в процессе лазерного 

воздействия......................................................................................................490
12.2.1. Изучение поверхности мишени после воздействия лазерного  

излучения.............................................................................................490

12.2.2. Исследование поверхности холодной подложки после  

воздействия лазерного излучения.....................................................492

12.3. Исследование структуры осажденного слоя на основе подходов  

фрактальной геометрии..................................................................................494

Глава 13. Лазерные методы получения из металлов и оксидов коллоидных  
систем и осаждение их  на поверхность твердых тел ................................................495

13.1. Получение коллоидных систем при лазерной абляции металлов  

в жидкости .......................................................................................................496

13.2. Условия и результаты эксперимента............................................................592
13.3. Обсуждение. Моделирование процессов лазерной абляции  

в жидкости .......................................................................................................500

Оглавление

13.4. Формирование на подложке наноструктурированного слоя 

из полученного коллоидного раствора..........................................................503

Глава 14. Формирование системы микрократеров на поверхности стеклоуглерода  
и титана при воздействии фемтосекундным лазерным излучением в условиях  
быстрого охлаждения в жидком азоте..........................................................................505

14.1. Условия эксперимента для стеклоуглерода.................................................506
14.2. Результаты эксперимента для стеклоуглерода и обсуждение ...................508
14.3. Методика эксперимента для титана.............................................................512
14.4. Результаты и обсуждение для титана ..........................................................513

Глава 15. Наноструктуры с составом из благородных металлов: жидкостные  
и тонкопленочные системы...........................................................................................516

15.1. Гидродинамические процессы в области лазерного воздействия  

в условиях формирования «квантового пузыря». Наблюдение  
в реальном масштабе времени.......................................................................517

15.2. Оптические спектры поглощения в условиях лазерного индуцирования  

тепловых процессов........................................................................................522
15.2.1. Оценки для лазерного нагрева наночастиц в коллоидной 

системе.................................................................................................524

15.2.2. Остывание наночастиц в коллоидной системе.................................525

15.3. Оптические свойства наноструктурированных золотосеребряных  

пленок, полученных с помощью осаждения малых капель коллоидов.....526
15.3.1. Приготовление пленок........................................................................527
15.3.2. Измерение оптических свойств.........................................................529
15.3.3. Моделирование оптических свойств.................................................531

Выводы....................................................................................................................532
Тестовые вопросы и задания.................................................................................534
Список литературы.................................................................................................534

Часть V. Компьютерное моделирование элементов оптоэлектронных систем  
и фотоники на микро- и наноуровне........................................................................543

Введение .........................................................................................................................543

Глава 16. Наносистемы в микроэлектронике ..............................................................544

16.1. Современное состояние микроэлектроники...............................................544
16.2. Нанотехнологии в наноэлектронике............................................................546
16.3. Методы и технологии получения гетероструктур......................................550
16.4. Использование органических соединений для радиосистем....................557

Глава 17. Компьютерные технологии в наноструктурном анализе...........................562

17.1 Общие сведения..............................................................................................562
17.2. Методы моделирования роста наноструктур..............................................564

Оглавление
11

17.3. Метод дискретного моделирования разбиений и упаковок ......................570
17.4. Основные понятия теории роста квантовых точек ....................................574
17.5. Комплекс программ «Компьютерный наноскоп».......................................575

Глава 18. Проектирование радиотехнических наноэлементов и наносистем..........580

18.1. Квантовые точки для нанотехнологий ........................................................580
18.2. Проектирование непериодических сверхрешеток .....................................586
18.3. Моделирование полупроводниковых органических структур..................592
18.4. Электродинамическое моделирование фрактальных антенных систем.....595
18.5. Исследование и компьютерное моделирование перспективных  

материалов для радиосистем на наноуровне................................................606

18.6. Существующие проблемы и перспективы их решения.............................612
Выводы....................................................................................................................614
Тестовые вопросы и задания.................................................................................615
Список литературы.................................................................................................618

Часть VI. Метрологическое обеспечение наноизмерений.  
Базовые принципы ......................................................................................................623

Введение .........................................................................................................................623

Глава 19. Концепция развития нанометрологии .........................................................624

Глава 20. Техническое обеспечение нанометрологии ................................................629

20.1. Оптическая микроскопия .............................................................................629
20.2. Электронная микроскопия............................................................................634
20.3. Сканирующая зондовая микроскопия.........................................................646
20.4. Спектроскопия и хроматография в нанометрологии.................................672
20.5. Сравнительный анализ технических средств нанометрологии ................680

Глава 21. Поверка и калибровка в сфере нанометрологии.........................................691

21.1. Общие положения .........................................................................................691
21.2. Поверка и калибровка рельефной меры......................................................695
21.3. Поверка и калибровка растровых микроскопов.........................................703
21.4. Поверка и калибровка атомно-силовых микроскопов...............................707
21.5. Организационные основы нанометрологии ...............................................713
Выводы....................................................................................................................721
Тестовые вопросы и задания.................................................................................722
Список литературы.................................................................................................723

Приложение...................................................................................................................724

Заключение....................................................................................................................735

Об авторах .....................................................................................................................741

Summary.........................................................................................................................742

ПрЕДИСлОВИЕ

В данном учебном пособии рассмотрены современные достижения и существующие проблемы в области бурно развивающегося нового направления «фемтонанофотоника», которая оперирует предельными пространственно-временными масштабами – соответственно до пространственных областей развития наноразмерных эффектов и динамических процессов в фемтосекундном временном диапазоне. Основы 
такого рассмотрения связаны с базовыми принципами термодинамики и статистической физики наноструктур, методами математического моделирования, направленными на их конструирование, а также с технологиями направленного лазерного синтеза нанокластерной материи с требуемыми функциональными и конструкционными свойствами. Речь идет об особенностях, методах и характеристиках наноструктур, в том числе и о проявлении коррелированных состояний в кластерных структурах, определяющих их макроскопические квантовые свойства.
Среди закономерностей, свойственных макроскопическим телам, состоящим из 
огромного числа частиц (атомов, молекул, ионов и др.), есть такие, которые не зависят от конкретного механизма взаимодействия частиц среды. Они выражаются универсальными соотношениями, связывающими между собой фундаментальные макроскопические характеристики произвольной системы.
Основные отличия наноструктурного состояния вещества от микро- и макроструктурного можно свести к двум основным факторам. Первый заключается в том, 
что отношение количества поверхностных молекул к их числу в объеме рассматриваемого объекта больше или соизмеримо с единицей, поэтому физико-химические 
свойства в основном определяются поверхностными молекулами/частицами. Вторым, не менее существенным фактором, является сама величина объема наночастицы, вернее, количество атомов, заключенных в этом объеме. Возникает эффект размерного квантования состояний и энергетических уровней, как это обычно происходит для любой физической системы при соответствующем ограничении ее объема в 
определенном масштабе, сравнимом с характерными расстояниями реализующихся 
в системе сил взаимодействия. Более того, при уменьшении числа частиц, ограниченного размерами структуры агрегата, зонная теория крупных полупроводниковых 
материалов перестает давать правильные результаты. 
Важная особенность именно лазерных методов наведения подобных структур – 
управляемая их топология на поверхности твердого тела, что в целом определяет 
физико-химические свойства получаемых таким образом материалов и тонких пленок. Это имеет принципиальное значение как в фундаментальном аспекте, так и в 
прикладном. Речь идет о направленном синтезе наноматериалов, в которых, с одной 
стороны, удается проследить за трансформацией микроскопических свойств среды 

Предисловие
13

в макроскопические. С другой стороны, функциональные и конструктивные свойства таких материалов поддаются управлению. Новое состояние среды здесь возникает для определенного размера наночастиц и/или характерного масштаба их ассоциации в кластеры.

Если говорить о конструировании нанокластеров, то с использованием лазерноплазменных методов возможен синтез данных нанообъектов на основе подходов, 
аналогичных технологиям их создания в плазме разного типа: кластерной плазме, 
магнетонной плазме, пылевой плазме, а также в условиях неидеальной экстремально 
горячей плазмы. Для мощных фемтосекундных лазерных импульсов речь идет фактически о комбинации разных технологий получения нанокластеров с доминированием сверхбыстрых механизмов, требующих высокие значения лазерной интенсивности.
Функция распределения кластеров, представляющих метастабильную структуру 
вещества (в зависимости от числа входящих в них наночастиц), является промежуточной между двумя устойчивыми состояниями – газово-агрегатным состоянием вещества и твердым телом. При этом речь может идти об образовании как твердотельных кластеров, так и кластеров в жидких фазах в случае коллоидных систем. Число 
наночастиц в квазиустойчивом кластере может быть определено в рамках оболочечной модели (по аналогии с атомными оболочками в Периодической системе Менделеева) для типичных пространственных конфигураций среды, которые характеризуются соответствующими магическими числами (по числу наночастиц), определяющими устойчивые оболочки.
Разумеется, в значительной степени кластеростроение зависит от материала подложки, которая в доминирующей степени определяет поверхностную морфологию 
возникающих нанокластерных структур. 
При лазерно-индуцированных процессах большое значение имеет, кроме того, 
бесконтактный механизм коллективной связи между атомами в кластере, определяемый собственно лазерным излучением при его взаимодействии с ансамблем атомов 
(аналог действия ван-дер-ваальсовых сил).
Учет всех этих факторов приводит к соответствующей 3D-топологии кластерных 
нанообъектов, формы которых могут трансформироваться в зависимости от магических чисел (сферы, эллипсоиды разных типов с последовательными переходами от 
одной модификации к другой в зависимости от числа наночастиц в кластере). 
Масштабирование и воспроизведение кластерных структур определенного 
типа, т.е. однородность распределения нанокластеров по их размерам, определяются конкретными условиями синтеза и обычно требуют специальных мер (методов селекции) для получения однородного (по размерам) коллектива нанокластеров. Лазерное излучение позволяет это делать с высокой эффективностью и управляемым образом.
С помощью лазерных методов кластеростроения данная процедура осуществляется непосредственно в процессе синтеза кластерных нанообъектов в достаточной 

Предисловие

степени под необходимые требования их однородности. Развитие всех этих технологий получения нанокластеров и составляет суть современной фемтонанофо- 
тоники. 
Решение существующих проблем позволит ответить современным вызовам создания новых технологий для заданного синтеза нано- и микроструктур на поверхности различных материалов, который осуществляется с помощью лазерного излучения с различными характеристиками и в рамках модифицируемых условий эксперимента. 
В методически-диагностическом аспекте речь идет о компьютерном моделировании элементов оптоэлектронных систем и фотоники на микро- и наноуровне и метрологическом обеспечении наноизмерений и его базовых принципов. 
Последнее относится к сфере нанометрологии – метрологии в нанодиапазоне.  
С одной стороны, метрология − это наука об измерениях, методах и средствах достижения их повсеместного единства и требуемых точностей. С другой стороны, − это 
институт обеспечения единства измерений в стране, включающий стандартизацию 
единиц физических величин, их воспроизведение с наивысшей точностью с помощью государственных эталонов и передачу размеров единиц физических величин  
иерархическим образом сверху вниз всем средствам измерений (приборам), допущенным к применению на территории страны. 
Отличие нанометрологии от обычной метрологии обусловлено тем, что переход 
в область нанометровых масштабов сопровождается не только количественными, но 
и качественными изменениями свойств вещества. Развитие нанометрологии требует 
пересмотра физического смысла определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными физическими константами, 
и флуктуационными явлениями, также характерными для нанообъектов. В нанометрологии, кроме того, существует проблема выбора методов и средств измерений, 
а также выбора параметров нанообъектов, необходимых для создания их эталонов.
В данной книге впервые все эти вопросы фундаментального, прикладного и метрологического аспектов нанотехнологий для задач фемтонанофотоники рассмотрены в едином комплексе (они важны для подготовки/переподготовки специалистов 
сферы высоких технологий) и проведено детальное изучение процессов формирования микро- и наноструктур на поверхности твердого тела под действием лазерного 
излучения в различных условиях на основе оригинальных методов лазерной диагностики и распознавания образов, в том числе при развитии динамических нелинейных 
явлений в реальном масштабе времени.
Таким образом, удается непосредственно изучить динамические процессы лазерного формирования микро- и наноструктур и понять фундаментальные законы при 
развитии лазерно-индуцированных процессов. В частности можно отметить возможность управления динамикой развития пространственных и временных термодинамических и гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением, так как именно в условиях неустойчивостей происходит формирование ми

Предисловие
15

кро- и наноструктур при лазерном воздействии. Это дает инструмент для направленного синтеза наноструктур на поверхности твердого тела и в тонких пленках.
Другая группа вопросов, обсуждаемых в данной книге, – наноструктурирование 
материалов с включениями наночастиц в основную матрицу вещества и/или на поверхность, которые являются перспективными материалами для использования в 
различных областях наноэлектроники и фотоники в качестве термоэлектрических 
элементов, детекторов, источников излучения, элементов памяти, солнечных батарей 
и др. Физико-химические свойства таких наноматериалов зависят от размера и расположения включенных наночастиц, что позволяет управлять их свойствами. 
Не менее важной задачей является управляемое размещение наноразмерных элементов на поверхности (как проводящей, так и диэлектрической) твердой подложки. 
Существующие методы прецизионного/поатомного переноса вещества технологически сложны и дороги (молекулярно-лучевая эпитаксия, атомная литография, атомносиловые методы). Более того, они сильно лимитированы при выборе рабочего материала. В связи с этими двумя факторами методы лазерного управляемого синтеза 
наноструктурированных поверхностей (тонкие пленки, поверхность твердого тела) 
являются одними из наиболее быстро развивающихся инструментов современных 
микро- и наноэлектроники, фотоники, позволяющих получать широкий класс наноструктурированных материалов с требуемой топологией расположения наночастиц 
благодаря соответствующей траектории движения лазерного пучка по поверхности 
подложки. 
Книга состоит из шести основных частей, которые посвящены следующим вопросам:
• Часть I – фундаментальным основам термодинамики и статистической физики наноструктур и методам математического моделирования направленного их конструирования. 
• Часть II − лазерному синтезу нанокластерной материи – основным особенностям, методам и характеристикам. Здесь рассмотрены лазерные методы получения 
наноструктурированных материалов, структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния при управляемом лазерном синтезе наночастиц 
на поверхности твердых тел – размерные эффекты и их квантовые аналоги. 
• Часть III − изучению микро- и наноструктур и гидродинамических неустойчивостей, индуцированных лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностике методами лазерной и зондовой микроскопии. Здесь рассмотрены основные методы лазерной диагностики и лазерные методы формирования микроструктур, лазерное воздействие на поверхность графита и диагностика в реальном масштабе времени его плавления при атмосферном давлении, формирование углеродных субмикронных и наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии лазерного излучения на поверхность углеродосодержащих материалов в атмосферном воздухе, а также нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости, возбуждаемых лазерным излучением, и фрактальные свойства поверхности.

Предисловие

• Часть IV − описанию лазерных методов получения и осаждения наноструктур 
с управляемой морфологией на поверхность твердых тел, рассмотрению механизмов 
формирования наноструктурированных покрытий при осаждении частиц из лазерноиндуцированной плазмы, обсуждению способов управления морфологическими 
свойствами формируемых наноструктур и их диагностике современными методами. 
Кроме того, в этой части рассматривается наноструктурирование материалов с включениями наночастиц в основную матрицу вещества и/или на поверхность, которые 
являются перспективными для использования в различных областях наноэлектроники и фотоники в качестве термоэлектрических элементов, детекторов, источников излучения, элементов памяти, солнечных батарей и т.д. Физико-химические свойства 
таких наноматериалов зависят от размера и расположения включенных наночастиц, 
что позволяет управлять их свойствами.
• Часть V − компьютерному моделированию элементов оптоэлектронных систем 
и фотоники на микро- и наноуровне, новым требованиям к практическим элементам и устройствам радиоэлектроники, использующим кристаллическое состояние 
вещества – квазикристаллы, нанокластеры, квантовые точки, сверхрешетки и гетероструктуры. Речь идет о синтезе наноструктурированных материалов и элементов 
с требуемыми функциональными и конструкционными свойствами для различных 
приложений.
• Часть VI − изучению метрологического обеспечения наноизмерений и его 
базовым принципам, комплексному подходу к решению проблемы метрологического обеспечения создаваемой нанотехнологической сети предприятий наноиндустрии, а также решению ряда взаимосвязанных научно-технических, структурноорганизационных и методических задач по основным затронутым направлениям.
Учебное пособие подготовлено по материалам работ, выполняемых в последние 
годы, а также в рамках действующих научно-технических и образовательных программ, таких как:
• Гранты Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ страны и молодых российских ученых-кандидатов наук.

• Президентская программа повышения квалификации инженерных кадров на 
2012–2014 годы. 

• Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным 
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

• Федеральная целевая программа развития образования на 2011–2015 годы. 
• Государственное задание Министерства образования и науки Российской Федерации, в частности проектная часть государственного задания ВлГУ №16.440.2014/K 
на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности.

• Оказание государственной поддержки вузам, подведомственным Министерству 
образования и науки Российской Федерации, ориентированным на подготовку кадров по приоритетным направлениям развития экономики соответствующих субъектов федерации «Кадры для регионов».

Предисловие
17

• Гранты Российского фонда фундаментальных исследований.
• Образовательные программы Фонда инфраструктурных и образовательных программ ОАО «Роснано».

* * *

Хотим выразить благодарность всем нашим соавторам, результаты из диссертационных работ которых, выполненных под руководством авторов данного издания, 
используются в тексте книги. Особо следует отметить сотрудников Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых: кандидата физикоматематических наук Д.В. Абрамова (часть III), кандидата физико-математических 
А.А. Антипова (часть II), кандидата физико-математических наук С.В. Кутровскую 
(часть IV), кандидата технических наук К.В. Скворцова (часть V), старшего научного сотрудника, доцента  М.Н. Герке. Кроме того, мы основывались также на результатах совместных исследований с В.И. Емельяновым, доктором физико-математических наук, профессором кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и с С.П. Зиминым, доктором физикоматематических наук, профессором кафедры микроэлектроники физического факультета Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова.
Большую помощь оказали нам также аспиранты, соискатели и магистранты кафедры физики и прикладной математики ВлГУ. 
Выражаем нашу признательность рецензентам данной книги: заместителю директора по науке ФГУП НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, заместителю заведующего кафедрой микро- и наноэлектроники ФФКЭ МФТИ, доктору технических наук, профессору Быкову В.А. и профессору кафедры микроэлектроники и общей физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова, доктору физико-математических наук С.П. Зимину, взявшим на себя нелегкий труд по ее 
прочтению, за те высказанные ими ценные замечания, которые были учтены в окончательной редакции издания.
Без технической помощи в оформлении книги, которую с большим терпением и 
пониманием на себя взяла сотрудница ВлГУ И.М. Сидорова, эта книга вряд ли бы 
состоялась.

ЧАСТЬ I. 
ФУНДАМЕНТАлЬНыЕ ОСНОВы ТЕрМОДИНАМИКИ

И СТАТИСТИЧЕСКОй ФИЗИКИ

НАНОСТрУКТУр И МЕТОДы МАТЕМАТИЧЕСКОгО

МОДЕлИрОВАНИя НАПрАВлЕННОгО

Их КОНСТрУИрОВАНИя

ВВЕДЕНИЕ

Среди закономерностей, свойственных макроскопическим телам, состоящим из 
огромного числа частиц (атомов, молекул, ионов и др.), есть такие, которые не зависят от конкретного механизма взаимодействия частиц тела. Они выражаются универсальными соотношениями, связывающими между собой фундаментальные макроскопические характеристики произвольного тела. При этом в соответствии с базовым термодинамическим принципом описание такой макроскопической системы с 
колоссальным числом степеней свободы/микрообъектов возможно с помощью конечного числа измеримых макропараметров (температура, давление, объем, масса, 
концентрация и т.д.). Соотношения между ними (в том числе и неравенства) составляют содержание равновесной термодинамики однородных (гомогенных) систем.
Такая система может строиться на статистической основе, и тогда речь уже идет 
о неоднородных (гетерогенных) средах, неравновесных процессах, динамике развития сильных флуктуаций и т.д. Учет спектральной интенсивности спонтанных флуктуаций в соответствии с флуктуационно-диссипационной теоремой для равновесных термодинамических состояний позволяет описывать обобщенные отклики (восприимчивости, в том числе нелинейные) физической системы на внешнее воздействие (диссипативное ее поведение). Это также дает возможность обосновать основные постулаты термодинамики как проявление асимптотических свойств замкнутых 
макроскопических систем на больших временах. Данный подход на динамической 
основе классической и в общем случае квантовой механики и электродинамики был 
развит в работах академика Н.Н. Боголюбова и учеников его школы.
В представляемой части книги мы следуем именно такой последовательности 
изложения материала как наиболее соответствующей для современной нанонауки. 
Дальнейшее обобщение теории происходит с учетом квантовых закономерностей в 
таких системах, в первую очередь, связанных с квазичастицами – квантовыми коллективными возбуждениями в конденсированной среде. Это позволяет существенно 
продвинуться в понимании различных фазовых состояний вещества (газ, жидкость, 

Введение
19

твердое тело, плазма и другие (промежуточные) состояния) и переходах разного рода 
между этими макроскопически однородными состояниями при  изменении соответствующего управляющего параметра (например, температуры тела).
В рамках изучения неравновесных открытых систем и происходящих в них нелинейных волновых процессов удается выйти не только за пределы стандартной термодинамики и статической теории для описания, в частности, метастабильных состояний среды и искусственно созданных новых материалов – метаматериалов с удивительными свойствами, но и сформулировать фундаментальные динамические принципы, являющиеся основой всего современного естествознания в целом.
Возвращаясь к простым закономерностям, важным для понимания наноструктурирования различных веществ, начнем с кристаллических твердых тел, обладающих 
регулярной решеточной структурой.
Процесс кристаллообразования представляет собой зарождение новой фазы в 
гомо- или гетерогенной системе. В простейшем случае она представляет собой двуфазную однокомпонентную систему. Кристаллическая фаза характеризуется периодическим распределением вещества в пространстве, т.е. с точки зрения симметрии 
является состоянием решетки твердого тела.
Переход из твердой фазы в жидкую и обратно происходит при определенной температуре. Поскольку при этом совершается переход, сопровождающийся изменением порядка в системе, а также выделением или поглощением количества теплоты, содержащейся в системе, то температура перехода определяется в рамках принципов 
термодинамики.
Однако существующие модели зарождения наноструктур, как термодинамические, статистические, так и структурные, рассматриваемые на атомно-молекулярном 
уровне, не объясняют зарождения порядка, трансляционной симметрии и последующих процессов роста с сохранением самоподобия, т.е. всего того, что характеризует 
кристаллическое состояние и его образование. В науке и технологии рассмотрен достаточно полно практически важный процесс роста отдельных граней, основанный 
на дефектах и деформациях, в то время как закон постоянства углов, т.е. проблема согласования роста граней, является трудно решаемой задачей.
Основные отличия наноструктурного состояния вещества от микро- до макроструктурного можно свести к двум основным факторам. Первый заключается в том, 
что отношение количества поверхностных молекул к их числу в объеме рассматриваемого объекта больше или соизмеримо с единицей, поэтому физико-химические 
свойства в основном определяются поверхностными молекулами. Вторым, не менее 
существенным фактором является сама величина объема наночастицы, вернее количество атомов, заключенных в этом объеме. Возникает эффект размерного квантования состояний и энергетических уровней, как это обычно происходит для любой 
физической системы при соответствующем ограничении ее объема в определенном 
масштабе, сравнимом с характерными расстояниями реализующихся в системе сил 
взаимодействия.