Научные основы нанотехнологий и новые приборы

Учебник-монография под редакцией
Р. Келсалла, А. Хамли, М. Геогегана

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ 
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
И НОВЫЕ ПРИБОРЫ

Перевод с английского
А.Д. Калашникова

2011

Р. Келсалл, А. Хэмли, М. Геогеган (ред.)
Научные основы нанотехнологий и новые приборы. Учебникмонография. Пер. с англ.: Научное издание / Р. Келсалл, А. Хэмли, М. Геогеган
(ред.) – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 528 с.
ISBN 9785915590488

Книга является коллективной монографией британских специалистов с разнообразными научными и техническими интересами от электротехники до биотехнологий
и материаловедения. Она представляет собой подробный обзор современных физикохимических проблем, лежащих в основе нанотехнологий. В ней рассмотрены многочисленные примеры того, что принято называть нанометровыми системами. Авторы определяют понятие наносистем, опираясь на тот факт, что они обладают новыми
свойствами, которые уже более не могут рассматриваться как простая экстраполяция
свойств аналогичных макроскопических систем в диапазон малых размеров. Отдельные главы посвящены методам получения и исследования наносистем, применяемых
в современных электронике, фотонике и биотехнологиях, а также производству новых наноструктурированных материалов. Даётся подробный обзор новых приборов и
инструментов, необходимых для работы с нанометровом диапазоне размеров.
Книга во многом основана на учебных курсах, читаемых авторами в университетах
Лидса и Шеффилда.
Данная книга нацелена прежде всего, на студентов старших курсов, учёных и инженеров, сфера интересов которых связана с нанотехнологиями, а также на преподавателей физических, химических, биологических и материаловедческих факультетов
университетов.

ISBN 9785915590488
                  © 2006, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern
Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England
                 © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
 перевод на русский язык, оригиналмакет,
оформление

 
!

"##$%#&''&

 
()&*&'&"+,-."/&*01)



""* /2)34'))!!"#$%&'(

#$&'(

#$&(

"#$%&(

 !%!%!%!%"#$%&'(

#$%&(

$)#'"(-)0*&40"5-42#*647&7&8#/0

)"*"9&#0

":;&48#2&#8#&<!"=+&>&*4)#2

(+--?@(/)>17&##)0

("/)#&''&0##)0

!"#"(()&*0&/)&0*A#*1#*$%&#&'&(%)**

&"&(!+,!!"#(#"$%&'!5.B!"

#$5;&%##0C#*&'*/D

%"!&'"()""

&!"
*%+!+!!"
" ,-$-$-$%&.(/%&$0(!%5";&%##0C#/'**&D

!!"#
$%&!!'!(!&&!%)! )*+,-,,$+$+./01201$&3+44/5*%$&3!3+$&///!"

#!"

 $%&$%&"

"

'()*

'()*
"

+,

+,-./

+,-/

+,-0/

+1

1

1

'"'"'"'"5(-40<6&#)&*

!2342"
3)"
5"
"

%55E>& 48##)


!"#

9;BF
@B;.$%"@G-"8#)40#>#60*/'/%11,,11,,-1,-11,11,,111,,11,,-1,-11,11,,111,,11,,-1,-11,11,,1636363777"
8*!*"""&0*>&#0$/&##&'%()'*''+',-*)'*''+'.)'*''+'/0%#"#




""--;""6H*>&#0*/'/%!"#$%&% '(

"""E*8/6&3&/&<AH#>#6#2

""(;&8*>&#0*/'/%""5>8#)&#>)&!*"+$"%
,
+"(+-;"(6H#>07&1>"(";'87&'8"((/)41#*7&*#6&/%)

&%&"-""%"%
.%"%
&/$

.%"%

"%%

"012"1&%"%%

.%"%

.%"%
"3%

4%"%

5%"%
&--""#$-6$%"""6.%"%

)%
6-*4"(

7,

4$

!"8"" "&%"4$
6"33/"!,8
%"29".

9:::(99".####.#
.#

.#

.#

""#!""##%! ""#&!'""#!!(%$$

"(9;&#*8*AH7&)&#>#";".$*"%/""8"6"0",

)"*"&$"%"&"*"$+,",/"<,%""0.3./"$"=3
%>&##

"##!*3')*#&$"2

&$"(

!+,!5+%!+%!+,"!*$"+,!> " !+,,

)*?$
?$

. " / @""%"""+$"!+,"(:&'AH>&#*8*AH7&)&#>>&##3$%"6$,%$%"""0",

4"/"!" %/"8
"""#!*
"-)"*"/ %" * %"60&3"$-/"/

5$"(
5$"2
6"2
6"(
6"A

7,"BCDC'DC"992"5;-;"9EIGB-"9&'AH'2)&#>##$!%"$$!"$,"$,$
5$%&# #!6$""""8"*

8".

E9F"EE"F,

5""9")J#*)&#>G)%6",

&$6H,5"&I!3"9(&'#&'AH/4*0)40

":-":6K)04$&%0)4!"",",<$

!&",@
,"" +"6 %"$"$%"-&"DCJ"8"
8""3%

4"+,"(":"$&%0)40/'8>*&#6<,%"0$

5$
K,

'(&"<,%"LM".

&'(&"(

."K"L"
"=-;;$%!$%"$"""""&!&#%&#)#%$*%%%%%+

."&8"29'#"+8".

""=#>&#>)*

."8",!,!,!+"$

$%/$."8"%450

G/8
$%",%

)%"""NO"5,%"NO
"("#8".

<$38
$%",%

<,$5"8"

"="48##>&#> 3P32">"'QQR

>"'QQR

63
,%"=(+&#>&#>#""#""%%3!!+#"--""K"#"--""K"$8"7,

#8".

!!"$

5%-&","&'.

$
G%5%"#&$"$

&"##"$#%&&"LB;.;ME@'&SSSSSSS,,-&)&%#&"#%""-'&&(&(./4",%="  =3#!S#557%'#=

,"L+&#>&#>>*&#1

0"+"++0<<$8"7,

#"'.

J"2"2T8(":F"2"TT8U":F"("M":F"L"-##J#>&)&>*&#$"29!!#=8":":":

6,,8"',-.
#=%-$"TMS"2278""L(J>'8*01/

"L5$)&""78"." ""8"
"N@B-B-B.,"N-8##*1#*!

"##$%
&'%%&$&()*+#,-.%-*"N"+&8##*1#*/&0!

1-/23

3##-1-4"N(-0#*1#*"N5&)8##*1#*!"#$

%#"#&''# "()**+"*#! #,"*-"*#.
#/#0*(!#)*!"

1#0*#* .*!"#2&*#"3

#$%%&'(!)*$+$'%!$4556!

,-.7""3

8#3!"#,/01(!$2!9:
:;<=<

"3%"#0"#(!")#>)"##?
"3()3


%3&&'%!$"3%"#0"#(! 6#>)"#(6?
"3#

"3%"#0"#(6#>)"#(6?
"30#

+= 6@#

 1
>3 3>"

'1-!"!#$"$"1&#*#-"3E# "#"36()

1#%'#(#"#1+3E# "#"F*3(11*"#G#"-"36!,6

12')G#""30###

14&#0*#"!""30###

17"3()3*'G#()#

18)#0*#.,#%"36()

45

#6-1H!"#3""#*3

1#!"3"30#

1C!3*)*D#

7*89:;

:<89:;

)*4**)*4**.='%!$,1>F))!)#>%"#(

2=::
9<=<

2C!(G#""%#"#)*/-$
$!>>,-?89:;@:<89:;

!"

2"3./''<!,!>A'!2>""*"""#"#!/

6&!2+&''>(!#

B!.

,#C!- !>C!21I#*#0*#."*"*#.

!4>,C!45

!,A'!22C,>""%E"#!(E#6""*6

 
'('%!$)
D

D
)

24"#>""%E"#!(E#6""*6

#$%%&'(!
)*'%!$,-?,!E:F;

'%!$27G**3* #>0"#(""*6

%3&&'%!$%3&&'%!$G(428"""%"3606

2H"5%"#0""3./''J2#"."3/''3

#$%%&'(!>>>>>>'%!$4<=:;<=4#0*##/#0*##**!"#(

89:;

:<89:;

'%!$- %3&&!- !H4="3#**!"#(

!II

6!)*7C:;<=7",G#""3>3


'#$%%&#$%%&#$%%&!!/>C'!JK

'###L
#L

!"

7"3*!"3>3

H2/H2A(A7!"'""3#*0"##

7+I#%#0*#)#

 71#0*#>)#"FE#*.*72#("#""6"%#."!#G#""F/"#+3(-'##05!"#$%&''''
'%('')*+,-*.+/0*.1
 0.23.450-6,3/70*287+0-9:;;<


 
74*.*"*""*.D!3

77""3*3

'%!$!"

48=9


+CC

+C%"#*#!5->35A5AC A+#)%"##K)%"##K')%"##

!"#$$%
,'!M#$&!:>+C%"#"("#>#(

,N#5N#5-O)**P
='O)))P
='O***)P
='O)))P

O)**P

O***)P

!!!!/>!/>!/>QC#-
++)"3#!)""3*"#



+1G**")%"#0# "#(

+C9C9

+@3"")%"#3



!"#$%

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

-.

/0/1234
##"/0/14(+)#0*#"")%"#3


56!*"+C=+C%"#"3!3*# "#)
+#%"*)%"#*# "# !+=#"3"##

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

)&$$!++:<C9<C$%*%%"+,-+1CC<+2999:CC11**#'#G#(

1CC9<;B

1)!#")# %.%/#

1)%""("G#(

0'%.12)%!#

31%""("G#(

1+*11"(**-E"#(

1C9:

1G**D3*%,!"#(,#!*#

1**3 "#
!!"#$
#$

%&'(
!)*
1"!"*G#(#"")%> !1+&*,!"# "#$!%&"#'(")$""*!+,-.%"/11C6"#0*#)!3

0$1$+)*,--,.

0$((1+=1+C#*"2$3$$ "# $$1+=%"#G>"

1+="()*D#-"*11=IA=AC=9

11#''>#(



11*>"11#""#"%

11+),"#! #,"#(%"#G>"
*""3)E*)

12=L:J12)#"#""@12="#12-#)*.

12+#**121!#G#""3)!3DD#

/,/,0,1

0,1

23-04526-14C<==B=

14M**-#0"*14*#0"*-#(>*14>0*-#**#0"*

17C9=B=17"!)"-"3)%"#"3* .*17")>#"3)(%#)%"#"3)#3

17M*#)%"#"3)#3

18=CM=1H=:;=9M:C1H%##-'#1HC%"#"3#,"#(

1H3#(

4

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

"#!"#$"$%$&&

$%&'&('&&$)* +

('&&&,-*.+

&/'

'()(.-/)0+*+(*"(,*"(,*"(,-##1#$
.)&/2%'#3

!4565657!'#/$&"$&!!%')+"012

!"#$%#!&
3$012

45012

!"
##!


+%&5012

!&+$'89$0%'(0

3(!!"#$%&'(

!"#(

)#*+,

,

,

6#66+7
 8-&#!!

--*

./"#6%$:%&&65;56<4&$$&!+

&&=0!"#

$!"#

$!"#

$&*4,10&.>('0&#4%&;##<&$$4#5?5@<A5@4"65;4+#$%')$)!

"#"$#%')$)B,C#%&'

()%

*+,%
./-0123'#=2;2!5D<42!'
2!!<%'


2&5A><542&+#02&!>-#$$)
$%&&!!"#!!!#!#!!2&&<%'#,
2&*#2*><5444>;6@564655@A

2*'/ E)$'# )#/0
+$0)#+/2*!F$/+'/ 

!"#$2*&4('/

мкм

2**#%+/%'('/

2*.?')2*<'/ 

2*2,G2.56465E6@>H<6

2.>+)#+# 

 2.!<#+/2.&$$E#,89)I,#
+,J)#2?;445@4>KFK2>/+$2!#:+2&,'$$LMN


2*#'#'-2.;'-22;54=O>45>465A"5K;FK

O!64"
5"5K;FK

O!=%)(%/+:+

O&K>@"5"7


O*>;F4A5"7

O*(J,/O*!,/)#
O*&"#)()(0

>?%@>8)%><O**F+'0)#(9>">3>AO*.$$%'()0
)#918#%0%:$%(#34,88 нм
17 44 нм
,
0 нм
1667 нм

834 нм

0 нм
0 нм

834 нм

1667 нм

O.6@4"5@4"4

O.#)E
)$'# ##/:$%O.!+%%'(#$1>*<(%>*<=%8@O5"7
5A5K;FK

O##
 O25646555"7
6>><54O2$$%%($,(

O2!)%:'$$)(O2&$$())##'OO5K>5657E
DK6PQ>45>465"5K;FK

OO>$##$R>>"#OO!:8OO&F1/
!"

!#$%&'(#)=
$""'("
#)''S>;;<@4">

S$89+#),#$(#


S!#J+#,%'(#(

Cила, нН

a

б

Относительное расстояние до поверхности, нм

Кривая силы отрыва

Кривая силы сближения

Стеклянные микросферы
Биотинилированный бычий
сывороточный альбумин

Слюда

Биотин

Биотиновый рецептор

Стрептавидин

0,8

0,4

0,0

–0,4
–20
0
20
40
60
80
100

Контур обратной связи

Оптический пинцет
с синусоидальными
колебаниями в 1 кГц

Смещение,
20 нм
на деление

Время, 200 мс на деление

Х
Y

Актин

Миозин

Положение
ловушки
(в направлении )
х

Боковая
сила захвата

Сила
реакции
Поперечный
импульс,
сообщаемый
свету

Система
регистрации
событий

Среднеквадратичная
амплитуда синусоиды
1 кГц, нм

S&>8+/+

Выпуск

а

б

в

г

д

ПДМС
??????
????????
??????

S*%+/,#$0$$###I,
0
1
2

0
1
2

12

6

0

мкм


S!<>>@4"S!;410#(%0

B')87'3


B7'3-(#B<-7'3

Q
L

Q

L

Катализатор
M

S!!>$#B7( %$&B%$$$&