Учебно-методический комплекс дисциплины «основы нанотехнологий» (стр. 3 )

Таким образом сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) включает следующие элементы:

– зонд (иглу),

– систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

– регистрирующую систему.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от величины тока между иглой и образцом, либо перемещения иглы по оси Z. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор. Ограничения на использование метода накладываются, во-первых, условием проводимости образца (поверхностное сопротивление должно быть не больше 20 МОм/смІ), во-вторых, условием «глубина канавки должна быть меньше её ширины», потому что в противном случае может наблюдаться туннелирование с боковых поверхностей. Но это только основные ограничения. На самом деле их намного больше. Например, технология заточки иглы не может гарантировать одного острия на конце иглы, а это может приводить к параллельному сканированию двух разновысотных участков. Кроме ситуации глубокого вакуума, во всех остальных случаях мы имеем на поверхности осаждённые из воздуха частицы, газы и т. д. Технология грубого сближения также оказывает колоссальное влияние на действительность полученных результатов. Если при подводе иглы к образцу мы не смогли избежать удара иглы о поверхность, то считать иглу состоящей из одного атома на кончике пирамиды будет большим преувеличением.

Рисунок 1 – Схема работы сканирующего туннельного микроскопа.

Вопросы для самоконтроля

1 Какие микроскопы вы знаете?

2 Как устроен сканирующий туннельный микроскоп?

3 Принцип работы СТМ.

Лекция 6

Тема. Атомная инженерия.

Вопросы

1 История развития атомной инженерии.

2 Тенденции и развитие.

В конце тысячелетия, когда общество все дальше продвигается по пути техногенного развития, развиваются уже существующие и зарождаются новые производственные отрасли, когда «высокие технологии» вошли практически в каждый современный дом, и многие люди не могут представить жизни без них, мы более отчетливо видим, неограниченность человеческих потребностей.  Чем больше человечество создает, тем большем оно потребляет. В том числе такого важного ресурса, как энергии.

Человечество с древних времен искало новые источники энергии. К середине XX столетия были освоены почти все ее природные источник, причем использование их в промышленных масштабах привело к значительному загрязнению отходами производства окружающей среды, особенно в крупных, промышленно развитых городах.

Овладение же ядерной энергией – величайшее, ни с чем не соизмеримое достижение науки и техники XX в. Высвобождение внутриядерной энергии атома, проникновение в природные кладовые тайн вещества, атома превосходит все, что когда-либо ранее удавалось сделать людям. Новый источник энергии огромной мощности сулил богатейшие неоценимые возможности.

Для открытия такого вида энергии, как внутриядерная энергия атома, понадобились долгие годы упорной и самоотверженной работы ученых многих поколений и разных стран. Высвобождение внутриядерной энергии атома потребовало такого уровня развития науки, такого научно-технического оборудования, таких аппаратуры, химических материалов, такой высокой культуры и техники производства, которые смогли сложиться в мире только к середине XX столетия. Однако человечество должно было пройти долгий путь поисков, преодолеть множество препятствий, отвергнуть прежние представления о природе вещей.

Итак, к концу XX века человечество в полной мере освоило использование запасов энергии атомных ядер урана-235. Этого  вида топлива, сжигаемого в атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана, хватит лишь на 50-60 лет.

Безусловно существует возможность использования, в целях получения энергии, природного газа, угля и нефти. Но такой  путь  развития  энергетики неприемлем. Причин множество: это и экологическая проблема – заражение окружающей среды токсичными химическими продуктами сгорания органического топлива, создание парникового эффекта, и постоянной возрастающей ценой на органическое топливо. В случае с нефтью и газом, можно сказать, что их использование в качестве источника энергии по меньшей мере неразумно. Здесь возникает проблема: из какого материала и какими методами, в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня  существует несколько основных концепций решения проблемы:

1. Расширение сети станций на урановом топливе.

2. Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран.

3. Переход к атомным реакторам на быстрых нейтронах, воспроизводящих ядерное топливо, которое могло бы обеспечить воспроизводство ядерного топлива более, чем на 3000 лет, в настоящее время является сложной инженерной проблемой и несет в себе огромную экологическую опасность, в связи с чем испытывает серьезное противодействие со стороны мировой экологической общественности, по причине чего имеет низкую перспективу на внедрение.

4. Освоение термоядерных реакций. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. Сейчас перед наукой стоит задача осуществления термоядерной реакции не в виде взрыва, а в форме управляемого, спокойно протекающего процесса. Решение этой задачи даст возможность использовать громадные запасы водорода на Земле в качестве ядерного топлива.

В настоящее время наиболее разумным представляется следующая схема развития энергетики: расширение сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией.

Вопросы для самоконтроля

1 Как развивалась атомная инженерия в послевоенные годы?

2 Какая схема развития энергетики представляется на сегодняшний день?

Лекция 7

Тема. Зондовые методы формирования наноструктур.

Вопросы

1 Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности.

2 Сканирующие зондовые микроскопы

В современной науке сформировалась новая область – нанотехнология, представляющая собой междисциплинарное направление, простирающееся от молекулярной биологии и генной инженерии до физики поверхности твердого тела, электрохимии и микроэлектроники. Получены уникальные результаты по изучению структуры поверхностей, строения кластеров, природы каталитических центров, строения вирусов, полимеров, отдельных молекул.

Нанотехнология открывает качественно новый уровень изучения различных свойств поверхности материалов. Существует возможность не только исследовать поверхность, но и производить прецизионное воздействие: перемещать слабо связанные с поверхностью наноструктуры, производить нанолитографию), кроме того, возможно и физическое воздействие на поверхность (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изображение поверхности глазной линзы. Жидкостная ячейка, контактная мода. Линза была высушена, а затем вновь помещена в водный раствор, в результате чего на поверхности линзы появились трещины. Изображения получены на приборе СОЛВЕР-Р4, оснащенном специализированной жидкостной ячейкой для контроля глазных линз.

Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов (1981-1986 гг.).

К настоящему времени сменилось уже два поколения сканирующих зондовых микроскопов.

К первому поколению относятся сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Они были изобретены в 1981 году как сверхвысоковакуумные приборы, на которых впервые было получено атомарное разрешение при исследовании поверхности кристаллических образцов. Также были созданы и получили распространение жидкостные, воздушные, вакуумные и сверхвысоковакуумные варианты приборов.

Принцип работы СТМ - это регистрация туннельного тока между проводящим образцом и микроиглой. Микроигла формирует туннельный ток, локализованный на малой площади. Например, если микрозонд удален на фиксированное расстояние от поверхности, то высота физического рельефа в исследуемой точке определит величину туннельного тока. Контролируя при сканировании фиксированную величину туннельного тока за счет вертикального перемещения микрозонда, определяют микрорельеф поверхности. Применение СТМ ограничивается проводящими поверхностями, и исследования, в основном, имеют чисто научное значение. Кроме того, интерпретация СТМ-данных не однозначна - ток зависит не только от расстояния, но и плотности электронных состояний, энергии связи электронов, присутствия адсорбционных слоев.

В 1986 году были изобретены атомно-силовые микроскопы (АСМ) названные так, поскольку с их помощью регистрировались силы межатомного взаимодействия, так называемой силы ближнего поля. Они были построенные подобно патефону. Острая игла на пружинке скользит вдоль поверхности и отклонение пружинки при этом измеряется. Первоначально пружинки изготавливались из тонкой платиновой фольги, и к ним приклеивалась острая маленькая иголочка - кантилевер, выбранная, например, из разбитого монокристалла сапфира. Одно из основных требований к кантилеверу - его острие должно быть предельно острым: заканчиваться единичными атомами (рисунок 2). Промышленная технология производства таких кантилеверов была создана в 1990 году, после чего и начало развиваться второе поколение зондовых микроскопов.

Рисунок 2 – Электронно-микроскопические снимки кремниевых кантилеверов. Видно, что радиус кривизны кантилевера около 1 нм. Атомное разрешение, полученное на снимке, доказывает, что острие остается кристаллическим в процессе травления и на самом кончике может быть практически не окисленным.