Учебно-методический комплекс дисциплины «основы нанотехнологий» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА
Документ СМК 3 уровня	УМКД	УМКД 042-14-1-05.01.20.114/03-2015
УМКД Учебно-методические материалы по дисциплине «Основы нанотехнологий»	Редакция №___ от «__» _______ 20___ г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

«ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

для специальности

6М072300 – «Техническая физика»

Учебно-методические материалы

Семей

2015

Содержание

1 Глоссарий        3

2 Лекции        4

Лекция 1        4

Лекция 2        6

Лекция 3        8

Лекция 4        10

Лекция 5        12

Лекция 6        14

Лекция 7        16

Лекция 8        19

Лекция 9        22

Лекция 10        24

Лекция 11        26

3 ПРАКТИЧЕСКИЕ занятия        29

Практическое занятие 1. Химическое осаждение из газовой среды.        29

Практическое занятие 2. Методы, использующие сканирующие зонды.        29

Практическое занятие 3. Атомная инженерия.        29

Практическое занятие 4. Методы формирования наноразмерных изображений.        29

Практическое занятие 5. Формирование наноструктурированных материалов.        30

4 самостоятельная работа магистранта        31

1 Глоссарий

В настоящем УМК использованы термины с соответствующими определениями:

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

ДНК-нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Газофазная эпитаксия – получение эпитаксиальных слоев Полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) – класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.

Аэрогели (от лат. aer – воздух и gelatus – замороженный) – класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной.

Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации.

Нанокристалл или кристалл (от греч. ксэуфбллпт, изначально – лёд, в дальнейшем – горный хрусталь, кристалл) – объект нанотехнологий на микроуровне.

Наночастицы, нанопорошки – объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Фуллерены, бакиболы или букиболы – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие – алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ, англ. AFM – atomic-force microscope) – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии зонда кантилевера с поверхностью исследуемого образца.

2 Лекции

Лекции – форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме.

Лекция 1

Тема. Введение. Тенденции развития нанотехнологий.

Вопросы

1 Предмет изучения нанотехнологий.

2 Новейшие достижения.

Нанотехнология – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

В силу того, что нанотехнология – междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из основных методов исследования в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

Наномедицина и химическая промышленность

Направление в современной медицине основанное на использовании уникальных свойств наноматериалов и нанообъектов для отслеживания, конструирования и изменения биологических систем человека на наномолекулярном уровне.

ДНК-нанотехнологии — используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур.

Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис-пептиды).

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

Вопросы для самоконтроля

1 Что изучает дисциплина «Основы нанотехнологий»?

2 Что такое наночастица?

3 На какие классы делятся нанообъекты, перечислите их?

Лекция 2

Тема. Химическое осаждение из газовой среды.

Вопросы

1 Осаждение атомных слоев.

2 Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы.

3 Химическое осаждение из паров металлорганических соединений.

Химическое осаждение из газовой фазы

Существует множество разновидностей этого метода, отличающихся способом инициации химических реакций и условиями процесса (давление, способ транспортировки паров в область подложки и т. д.). Как правило, в качестве прекурсоров используются соединения, имеющее достаточно высокое давление паров при невысоких температурах (100 - 400оС; хлориды металлов, металлоорганические комплексные соединения). Необходимым условием получения высококачественных пленок этим методом является высокая точность контроля скорости газовых потоков и интенсивности испарения прекурсоров.

Метод химического осаждения из газовой фазы позволяет получать покрытия различной структуры (монокристаллические, эпитаксиальные, аморфные, поликристаллические) на поверхностях сложной формы, в том числе с высокой степенью кривизны. Метод химического осаждения из газовой фазы в условиях объемной конденсации весьма эффективен при получении слабоагрегированных нанопорошков различных соединений.