Физические основы нанотехнологий
В. И. Смирнов
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Электронное учебное пособие
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В. И. Смирнов
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Электронное учебное пособие
для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 11.04.03 –
«Конструирование и технология электронных средств»
Ульяновск
УлГТУ
УДК 621.38 (075)
ББК 32.965 я 7
С 50
Рецензенты: Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники
им. В.А. Котельникова РАН (директор д-р. техн. наук В. А. Сергеев);
заведующий кафедрой «Приборостроение» Пензенского государственного университета, д-р. техн. наук, профессор В. А. Васильев
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве электронного учебного пособия
Смирнов В. И.
С 50 Нанотехнологии: Электронное учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2015.- ххх с.
ISBN 5-89146-300-0
Изложены физические основы нанотехнологий и их применение в промышленности и энергетике. Особое внимание уделено технологическим аспектам получения наноматериалов, их свойствам и конструктивным особенностям элементов наноэлектроники, нанофотоники и микросистемотехники.
Пособие снабжено большим количеством рисунков и цветных фотографий, что облегчает преподавание дисциплины с активным привлечением мультимедийных средств.
Пособие предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению 11.04.03 – «Конструирование и технология электронных средств» и программе подготовки – «Элементы и устройства электронно-вычислительных средств».
УДК 621.38 (075)
ББК 32.965 я 7
ã В. И. Смирнов, 2015
ISBN 5-89146-300-0 ã Оформление. УлГТУ, 2015
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………......... | |
| ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ…….…… | |
| 1.1. История развития и основные направления нанотехнологий | |
| 1.2. Квантово-размерные наноструктуры …… | |
| 1.2.1. Квантово-размерные эффекты в наноструктурах 1.2.2. Способы формирования квантово-размерных структур | |
| 1.3. Инструментарий нанотехнологий……………….……….. | |
| 1.3.1. История создания сканирующего туннельного микроскопа | |
| 1.3.2. Сканирующая туннельная микроскопия …….…… | |
| 1.3.3. Атомно-силовая микроскопия | |
| 1.3.4. Магнито-силовая микроскопия …………. | |
| 1.3.5. Электро-силовая микроскопия | |
| 1.3.6. Ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия | |
| 1.3.7. Сканирующая зондовая литография | |
| ГЛАВА 2. НАНОМАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ | |
| 2.1. Классификация наноматериалов и их особые свойства ……..…… | |
| 2.2. Углеродные наноматериалы | |
| 2.2.1. Аллотропные модификации углерода ……………… | |
| 2.2.2. Фуллерены …………………………………………….. | |
| 2.2.3. Углеродные нанотрубки …………………………………… | |
| 2.2.4. Графен ……………………………………………….. | |
| 2.2.5. Производные графена……………………………. | |
| 2.2.6. Графеноподобные наноматериалы | |
| 2.3. Аморфные и нанокристаллические материалы | |
| 2.4. Композиционные наноматериалы | |
| 2.5. Пористый кремний | |
| 2.6. Технологии получения наноматериалов | |
| ГЛАВА 3. НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПРМЫШЛЕННОСТИ И ЭНЕРГЕТИКЕ | |
| 3.1. Наноэлектроника | |
| 3.1.1. Кремниевая наноэлектроника | |
| 3.1.2. Углеродная наноэлектроника | |
| 3.1.3. Одноэлектроника | |
| 3.1.4. Молекулярная электроника | |
| 3.1.5. Спинтроника | |
| 3.2. Нанофотоника ………………………... | |
| 3.2.1. Светоизлучающие приборы и структуры | |
| 3.2.2. Полупроводниковые фотоприемники | |
| 3.2.3. Фотонные кристаллы | |
| 3.3. Нанотехнологии в энергетике ……….………. | |
| 3.3.1. Водородная энергетика | |
| 3.3.2. Солнечная энергетика | |
| 3.3.3. Накопители электроэнергии. Ионисторы | |
| 3.4. Микроэлектромеханические и наноэлектромеханические системы | |
| 3.4.1. Микроэлектромеханические системы | |
| 3.4.2. Наноэлектромеханические системы | |
| список ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………….……………. |
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств. Целью пособия является формирование у студентов общих представлений о физических основах нанотехнологий и методах, обеспечивающих возможность получения и исследования объектов нанометровых размеров, а также об использовании нанотехнологий в таких областях, как электроника, оптоэлектроника, энергетика и микросистемотехника.
Нанотехнологии принято рассматривать как развитие основных тенденций микротехнологий, а именно, как совокупность методов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать нанообъекты, в которых начинают проявляться квантово-размерные эффекты и резко возрастает влияние поверхности наночастиц, составляющих нанообъект, на его свойства. Для всех развитых и развивающихся стран нанотехнологии в настоящее время являются одним из приоритетных направлений науки и техники, которое призвано внести революционные изменения в различные отрасли промышленности, энергетики, медицины, строительства и сельского хозяйства. Это касается таких сфер производства, как получение новых материалов с уникальными механическими и теплофизическими свойствами, элементов наноэлектроники с рекордным быстродействием и низкой потребляемой мощностью, сенсоров с избирательной чувствительностью на уровне отдельных атомов и молекул, лазеров на квантово-размерных структурах с высокой эффективностью излучения и фотоприемников с характеристиками, многократно превышающими характеристики современных аналогов, а также многое-многое другое.
Исторически вопросами нанотехнологий стали активно заниматься с начала 60-х годов прошлого века. Интерес этот был, в основном, чисто научным без какой-либо серьезной финансовой поддержки со стороны государства. Ситуация резко изменилась на рубеже веков, когда правительство США в 2000 году одобрило т. н. «Национальную нанотехнологическую инициативу», которая явилась государственной инвестиционной программой по содействию развития нанотехнологий. Толчком послужила принятая двумя годами ранее аналогичная программа в Японии, которая получила высший государственный приоритет, причем финансовую поддержку программе оказало не только правительство, но и крупнейшие частные фирмы. Позже государственные программы по развитию нанотехнологий были приняты в ЕС и в Китае. С 2007 года в этот перечень стран вошла и Россия. Все это довольно быстро принесло свои практические результаты. Если в 2009 году мировой рынок товаров, созданных при помощи нанотехнологий, составлял 254 млрд. $, то в настоящее время эта цифра достигла величины около 1 трлн. $, а к 2020 году ожидается 3 трлн. $, причем потребность в специалистах в области нанотехнологий к этому времени должна составить 2 млн. человек.
С тех пор, как влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии «прорывом года», общественный интерес к ним резко вырос, а к нанотехнологиям стали часто употреблять выражение «новая промышленная революция». Практически ежегодно проводятся сотни конференций, посвящённых различным аспектам нанотехнологии. Опубликованы сотни тысяч статей и монографий, созданы специальные сайты в Интернете, регулярно появляются сообщения о новых идеях использования нанотехнологий или о новых видах продукции, полученных с использованием нанотехнологий. Оценить важность и достоверность такого огромного объема информации неподготовленному читателю довольно сложно. Автор надеется, что данное учебное пособие сможет разбудить в читателе интерес к теме нанотехнологий и поможет ему разобраться в новых идеях, с которыми ему еще только предстоит ознакомиться.
Учебное пособие, как уже отмечалось, предназначено для будущих конструкторов-технологов электронных средств. С учетом этого при отборе материала упор делался на технологические аспекты получения новых наноматериалов и конструктивные особенности устройств, полученных с использованием нанотехнологий. Например, вопросы, связанные с квантово-размерными эффектами в наноструктурах, изложены довольно кратко, а технология получения таких структур – более детально. Вопросы использования нанотехнологий также были осознано ограничены теми областями, в которых будущим специалистам возможно предстоит работать, т. е. электроникой, оптоэлектроникой, энергетикой и микросистемотехникой. Практически не рассматривались применения нанотехнологий в машиностроении, строительстве и сельском хозяйстве, а также медицине, хотя последнее направление является одним из приоритетных. Со всеми этими вопросами читатель может познакомиться в учебниках и учебных пособиях, указанных в списке литературы к учебному пособию. Понятно, что список этот далеко не полный. Желающие могут без проблем самостоятельно расширить его.
ГЛАВА 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ