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 042-14-1-05.01.20.114/03-2009
УМКД Учебно-методические материалы по дисциплине «Основы нанотехнологий»	Редакция №1 от 01.01.01 г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ДИСЦИПЛИНЫ

«ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

для специальности

6М072300 – «Техническая физика»

Учебно-методические материалы

Семей

2009

Содержание

1 Глоссарий        3

2 Лекции        4

3 Лабораторные занятия        30

4 самостоятельная работа магистранта        32

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

(1 час; 1 неделя)

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.

Методы исследования

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?

Рекомендуемые источники

Основные

, Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [, Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

, Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.

Дополнительные

, тр.,  с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.

Лекция 2

(2 часа; 2,3 недели)

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.

Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы

Технология плазмохимического осаждения использует газоразрядную плазму для разложения реакционного газа на активные радикалы. Применение различных приемов возбуждения плазмы в реакционном объеме и управление ее параметрами позволяет интенсифицировать процессы роста покрытий, проводить осаждение аморфных и поликристаллических пленок при значительно более низких температурах подложки, делает более управляемыми процессы формирования заданного микрорельефа, структуры, примесного состава и других характеристик покрытия по сравнению с аналогичныхи процессами при химическом осаждении из газовой фазы (CVD), основанном на термическом разложении реакционного газа.