Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
Курс лекций по физике Законы теплового излучения Фотоэффект Ядерная модель атома Квантовые генераторы Зонная теория твёрдых тел Электропроводимость металлов Ядерная физика Дозиметрия

Курс лекций по физике Примеры решения задач

КВАНТОВЫЕ  ОБЪЕКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Цель нанотехнологий состоит в управлении поведением отдельных наночастиц (атомов, молекул, молекулярных систем) при создании новых наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Приборы нанотехнологий

1). Сканирующий туннельный микроскоп.

Принцип работы был рассмотрен в лекции, где излагался туннельный эффект.

СТМ позволяет изучать поверхность проводящих образцов путём измерения туннельного тока между образцом и острой иглой, подводящейся к нему на расстояние, составляющее доли нанометров.

Важной особенностью СТМ является то, что помимо измерительных функций наблюдения он может выполнять и активные исследовательские функции: осуществлять захват и перемещение отдельных атомов, проводить локальные химические реакции, манипулировать отдельными молекулами, атомами и даже квантовыми точками , собирая из них заранее заданные структуры.

При горизонтальном способе перемещения атомов по поверхности образца игла СТМ осуществляет «перекатывание» атома по поверхности.

Процесс вертикального перемещения атомов подобен работе башенного крана. Атом с помощью иглы СТМ отрывают от поверхности образца, перемещают в нужное место и затем опускают и «отцепляют», приближая остриё к поверхности и переключая напряжение на игле.

2). Атомно-силовой микроскоп.

АСМ в отличие от СТМ позволяет исследовать поверхности не только проводников, но и полупроводников и диэлектриков.

В основе работы АСМ лежит ванн-дер-ваальсовское взаимодействие между атомами заострённой иглы, подводимой к поверхности образца, и атомами поверхности.

При больших расстояниях r между остриём иглы и поверхностью образца действует сила притяжения. При малых r электронные облака атомов поверхности и острия перекрываются, что приводит к электростатическому отталкиванию. Силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга при r = r*  0,2 нм.

27 – 2

Обычно используют бесконтактный метод, когда r  и режим работы «постоянной силы».

Игла АСМ расположена на конце миниатюрной гибкой консольной балки – кантилевера, изгиб которого регистрируется оптическим или пьезорезистивным зондирующим узлом.

Современные АСМ позволяют проводить исследования поверхнос-

ти с очень высоким разрешением, вплоть до атомных при изучении неоргонических и синтетических материалов и биологических объектов.

  Оригинальное применение методам АСМ нашли в IBM. Они предложили принципиально новое квантовое устройство записи и хранения информации («Многонож-ка»), принцип работы которого основан на механическом сканировании системой из большого количества АСМ-зондов (4096 шт) тонкой полимерной плёнки толщиной 70 нм, нанесённой на кремниевую подложку. При этом чип размером в 5 см2 может хранить информацию, содержащуюся на 25 DVD-дисках (~ 153 Гбайт).

Объекты нанотехнологий

Это объекты, имеющие кристаллическую структуру с размерами хотя бы в одном направлении от 0,1 нм до 1 мкм .

Квантовая яма – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в одном направлении.

На практике квантовую яму можно получить, расположив тонкий слой полупроводника с меньшей шириной запрещённой зоны (Ез1) между двумя более толстыми слоями полупро-водника с большей шириной запрещённой зоны.

В верхней яме помещаются электроны, в нижней – дырки.

27 – 3

Квантовая нить (проволока) – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в двух направлениях.

Квантовая точка – наноструктура, в которой движение электрона ограничено в трёх направлениях, как в потенциальном ящике. Квантовые точки формируются подобным образом как и квантовые ямы. Они представляют собой выращенные специальным образом наноостровки-включения одного полупроводника в матрице или на поверхности другого полупроводника.

Квантовые точки могут иметь форму пирамид, сфер, сплющенных капель и т.д., но всегда это своеобразная ловушка, удерживающая электроны внутри себя.

Поведение электронов в квантовых точках хорошо описывается моделью потенциального ящика. Это касается как дискретности энергетического спектра электрона, так и плотности вероятности нахождения электрона в том или ином квантовом состоянии.

Квантовую точку можно рассматривать как «искусственный атом», лишённый ядра.

На основе квантовых точек создаются новые виды полупроводниковых сверхмалых лазеров и другие принципиально новые устройства и методы исследований во всех областях современных высоких технологий и биологии.

Углеродные нанотрубки – представляют собой цилиндрическую поверхность, образованную правильными шестиугольниками из атомов углерода. При диаметре от долей нанометра до нескольких нанометров углеродные трубки могут достигать в длину несколько сантиметров.

В зависимости от размеров и структуры нанотрубки могут обладать свойствами как проводников так и полупроводников.

Проводимость нанотрубок, обладающих металлическим типом проводимости, может быть очень большой. Они могут пропускать ток плотностью  до 109 А/см2 , тогда как медный провод из-за джоулева нагрева плавится уже при  j = 106 А/см2.

Углеродные нанотрубки обладают также уникальными механическими свойствами, что является следствием их атомной структуры. Предел прочности однослойной углеродной нанотрубки более чем в 20 раз выше, чем у стали, а плотность в 4 раза ниже (детали в 4 раза легче стальных и в два раза легче деталей из магниевых, титановых и алюминиевых сплавов).

Структурные и электронные свойства нанотрубок обеспечивают широкие возможности их использования при создании электронных устройств нанометровых размеров – выпрямителей, транзисторов, осцилляторов с очень высоким быстродействием, плоских мониторов, катодолюминисцентных источников света и т.д.

Ожидается, что плотность записи информации в наноэлектронике будет больше, чем в кремниевой микроэлектронике, примерно на три порядка.

Уникальные перспективы имеют углеродные нанотрубки в медицине, в частности при создании мозговых имплантов головного мозга , а так же в информационных нейросетевых технологиях и при создании искусственного интеллекта.

Три основных направления развития нанотезнологий

1). Создание электронных схем, размеры активных элементов которых сравнимы с размерами атомов и молекул.

2). Разработка и изготовление нанороботов молекулярных размеров.

3). Сборка из атомов и молекул любых структур и конструкций.

1. Молекулярная физика. Статистический и термодинамический методы исследования. Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Модель идеального газа. Давления и температура. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы. Степени свободы. Классический закон распределения энергии по степеням свободы.
Фотопроводимость полупроводников