Нанотехнологии материалов и покрытий
Покупка
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 236
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7882-2538-8
Артикул: 787959.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Изложены основные методы получения наноматерналов. нанопокрытнн н тонких пленок, области их применения в машиностроении, атомной энергетике, наноэлек-тронике. Исследования в области наноматерналов позволили реализовать высокий уровень физико-химических и механических свойств материалов в наносостоянии.
Рекомендовано для студентов, обучающихся по специальностям «Материаловедение и технологии новых материалов» и «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий», а также для слушателей групп повышения квалификации и переподготовки специалистов в области новых материалов и наносистем.
Подготовлено на кафедре технологии твердых химических веществ.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 28.03.03: Наноматериалы
- ВО - Специалитет
- 18.05.01: Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» Н. Б. Иванов, Н. А. Покалюхин НАНОТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ Учебное пособие Казань Издательство КНИТУ 2019
УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 И20 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета Рецензенты: гл. науч. сотр. ФКП «ГОСНИИХП», д-р техн. наук Н. С. Латфуллин нач. лаб. АО «З-д „Элекон“», канд. техн. наук Д. И. Хамидуллин И20 Иванов Н. Б. Нанотехнологии материалов и покрытий : учебное пособие / Н. Б. Иванов, Н. А. Покалюхин; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 236 с. ISBN 978-5-7882-2538-8 Изложены основные методы получения наноматериалов, нанопокрытий и тонких пленок, области их применения в машиностроении, атомной энергетике, наноэлектронике. Исследования в области наноматериалов позволили реализовать высокий уровень физико-химических и механических свойств материалов в наносостоянии. Рекомендовано для студентов, обучающихся по специальностям «Материаловедение и технологии новых материалов» и «Химическая технология энергонасыщен- ных материалов и изделий», а также для слушателей групп повышения квалификации и переподготовки специалистов в области новых материалов и наносистем. Подготовлено на кафедре технологии твердых химических веществ. ISBN 978-5-7882-2538-8 © Иванов Н. Б., Покалюхин Н. А., 2019 © Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2019 Редактор Д. С. Аношкина Подписано в печать 15.03.2019 Формат 6084 1/16 Бумага офсетная Печать ризографическая 13,72 усл. печ. л. 14,75 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ Издательство Казанского национального исследовательского технологического университета Отпечатано в офсетной лаборатории Казанского национального исследовательского технологического университета 420015, Казань, К. Маркса, 68 УДК 620.22(075) ББК 30.3я7
ВВЕДЕНИЕ За последние три десятилетия нанотехнологии стали основным стратегическим направлением в развитии науки и техники. Подтверждением этому является то, что в настоящее время около 100 стран ведут исследования и разработки в области нанотехнологий и не менее 50 стран имеют свои национальные программы в этой области. За это время нанотехнологии приобрели свойства междисциплинарной области науки и техники, занимающейся изучением свойств объектов и разработкой устройств со структурными элементами размерами в несколько десятков нанометров (1 нм = 10−9 м). Однако система получает приставку «нано» не потому, что ее размер становится меньше 100 нм, а вследствие того, что ее свойства начинают зависеть от размера. В макроскопическом представлении физические и физико-химические свойства вещества инвариантны относительно его количества и размера. Однако это утверждение справедливо до определенных пределов, а именно, когда хотя бы в одном измерении протяженность изучаемого объекта становится менее 100 нм. При этом образующие систему наночастицы по своим свойствам отличаются как от объемной фазы вещества, так и от молекул или атомов, их составляющих. Таким образом, можно полагать, что в основе качественно новых достижений в научно- технических разработках на наноуровне лежит использование новых, ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам. В области нанотехнологий смена информации происходит очень быстро, поэтому существует настоятельная необходимость краткого изложения современного состояния дел в вопросах физики и технологии наноматериалов, нанопокрытий и тонких пленок, которые находят все более широкое применение в современном производстве.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОТЕХНОЛОГИЯХ, НАНОМАТЕРИАЛАХ И ПОКРЫТИЯХ 1.1. Термины, понятия, определения в нанотехнологиях Последние 30 лет наука и технология в своем развитии подошли к оперированию объектами нанометрового размера, что получило название нанотехнологии, фундаментальную часть которой принято называть нанонаукой, а совокупность исследуемых объектов – наноми- ром. Нанонаука и нанотехнологии создают принципиально новую техническую базу развития общества и основываются на новейших достижениях в области физики твердого тела, физической и коллоидной химии, прикладной математики, материаловедения и других наук. Предметом нанонауки являются два разных научных направле- ния: химическое, связанное с коллоидной химией и ультрадисперсным состоянием вещества, и физическое, связанное с развитием микроэлек- троники и микротехнологии. Физическое направление решает проблемы создания элементов с нанометровыми размерами и создание методов их обработки, позво- ляющих получать требуемую структуру на всей поверхности подложки с последующим переходом к объемным технологиям. Химическое направление решает задачи, связанные с получе- нием и исследованием ультрадисперсных и наночастиц, размерными эффектами в нанохимии, многофазными комплексами в пределах од- ной наночастицы, созданием нанореакторов, наноконтейнеров и мно- гие другие. Особый интерес представляют задачи получения «материа- лов с интеллектом», которые обладают способностью реагировать из- менением своих физических характеристик на внешнее воздействие. «Интеллектуальные материалы» способны к самодиагностике различ- ных дефектов и их устранению, а также они могут осуществлять управ- ляющие и исполнительные функции в процессе работы. По уровню ор- ганизации и сложности такие материалы приближаются к белковым структурам. С расширением круга проблем, решаемых на базе нанотехноло- гий, возникла необходимость применения единой терминологии, кото- рая была отмечена в «Концепции развития в РФ работ в области
нанотехнологий на период до 2010 года», в результате чего были реко- мендованы к использованию следующие термины: 1. Нанотехнология − совокупность методов и приемов, обеспечи- вающих возможность контролируемым образом создавать и модифи- цировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества. 2. Наноматериал − материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превы- шают 100 нм, и благодаря этому обладающий качественно новыми свой- ствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками. 3. Наносистемная техника − созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально закончен- ные системы и устройства, характеристики которых кардинальным об- разом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. 4. Наноиндустрия − вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники. Та- ким образом, наномир представлен объектами и структурами (кристал- литами, волокнами, порами, слоями и другими элементами), характер- ные размеры R* которых измеряются нанометрами (1 нм = 10−9 м = = 10−6 мм = 10−3 мкм). В реальности специфика нанообъектов проявля- ется в области их характерных размеров – от атомных (~ 0,1 нм) до не- скольких десятков (100 нм), поскольку свойства материалов и изделий с такими размерами (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, биохимические и другие) могут существенно отличаться от макроскопических. В термин «нанотехнологии» вкладывается также то, что физиче- ские процессы, которые определяют свойства объекта при его создании или использовании, происходят в пространственной области, измеряе- мой нанометрами. Известно, что структура атомов определяется числом нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре и управляется законами кван- товой механики, которые не могут быть изменены произвольно по нашему желанию. Другими словами, атомы – это минимально возмож- ные порции вещества, которые можно использовать в целях создания долговременно существующих конструкций путем «сборки» изделий из них, как из строительных модулей. Следует отметить, что эти модули
в отличие от партии деталей, изготовленных на самых точных станках, будут абсолютно идентичны и не будут иметь никаких особенностей (если они будут изготовлены из атомов одного и того же элемента). То же самое можно отнести и к свойствам небольших групп атомов (ма- лоатомных кластеров), состоящих из 10–10000 атомов, которые сильно зависят от числа атомов N в них. Варьируя под контролем числом ато- мов, можно обеспечить заданные характеристики изделия прибавлением или отбором одинаковых частиц. Именно достижению этой цели посвя- щена значительная часть нанотехнологических разработок. Как и в случае дефектов в кристаллических решетках, для нано- материалов различают нульмерные, одномерные, двухмерные и трех- мерные дефекты. В отличие от макроскопических твердых тел для нанообъектов следует различать не только характерные размеры R*, но и размерность D объектов наномира (рис. 1). Рис. 1. Определение размерности нанообъектов Для того чтобы проявилась «наноспецифика» поведения веще- ства, вполне достаточно иметь малое значение R* только в одном изме- рении. Такие объекты называются квазидвумерными (D = 2). К ним от- носятся тонкие приповерхностные слои однородного материала (например, слои толщиной в одну молекулу, пленки и покрытия
различного назначения, многослойные гетероструктуры, биологиче- ские мембраны и другие объекты). В квантовой механике такие объ- екты называют квантовыми ямами, или колодцами. Тонкие пленки ис- пользуют в качестве антифрикационных, износостойких, антикоррози- онных покрытий. Большую роль приповерхностные структуры или их состояния играют в нанопористых и композиционных материалах. Пер- вые применяют в молекулярных фильтрах и ситах, адсорбентах и ката- лизаторах, вторые – в качестве высокопрочных конструкционных ма- териалов, сред для высокоплотной записи и хранения информации, ла- зерных и светочувствительных элементов. Если объект в двух измерениях имеет наноразмеры, а по третьему измерению считается макроскопическим, то его классифицируют как квазиодномерный (D = 1). К таким объектам относятся нановолокна и нанонити: проводящие дорожки, напыленные на диэлектрическую под- ложку; одностенные и многостенные нанотрубки; органические макро- молекулы, которые называют квантовыми проволоками. В случае, когда все три размера частицы находятся в нанометро- вом диапазоне, она считается нульмерной (D = 0) и называется кванто- вой точкой, поскольку ни в одном из измерений она не имеет макро- скопических размеров. Низкоразмерные системы (D < 3) могут сильно отличаться от объемных макроскопических объектов, например по электронно-оптическим свойствам. Кроме объектов с целочисленным значением D существуют и дробноразмерные, или фрактальные. Величина D у них занимает про- межуточное значение между целыми числами. На рис. 2 показаны типичные представители нанообъектов по размерностям. Таким образом, в квантовых малоразмерных структурах анализируют соответственно квантовые точки, ямы, проволоки, стенки и другие дефекты. Следует отметить, что в объектах, которые можно отнести к наноразмерным, количества вещества, находящегося на поверхности и в объеме, становятся соизмеримыми, что совершенно меняет струк- туру и свойства твердого тела. Термин «квантовый» используют в названиях этих трех типов наноструктур, потому что в области ультрамалых масштабов возни- кают изменения свойств квантово-механической природы.
Рис. 2. Классификация нанообъектов по размерностям 1.2. Общая характеристика дефектов кристаллической решетки Чтобы проводить сравнение и выявлять особенности поведения дефектов, имеющихся в кристаллических решетках макротел, с поведе- нием этих дефектов с нанометровыми размерами, необходимо приве- сти характеристику этих дефектов.
Основные виды дефектов, которые имеются в кристалле, подраз- деляют на группы: 1) нульмерные, или точечные, дефекты. К ним относятся вакан- сии, межузельные атомы, двойные вакансии (вакансии разных знаков, характерные для ионных кристаллических решеток), а также бивакан- сии, тривакансии, тетравакансии и их скопления; 2) одномерные, или линейные, дефекты – дислокации; 3) двумерные, или поверхностные, дефекты: границы зерен и «двойников», межфазные границы, дефекты упаковки, поверхность кристалла; 4) трехмерные, или объемные, дефекты: пустоты, поры, вклю- чения второй фазы. Перечисленные дефекты всегда присутствуют в большом коли- честве в металлах, сплавах, моно- и поликристаллах различных по при- роде веществ. В настоящее время установлено, что механические свой- ства реальных кристаллических тел и их поведение при деформирова- нии определяются дефектами кристаллических решеток. Это связано с тем, что механизмы основных процессов, определяющих механиче- ские свойства реальных тел, а именно: пластической деформации, раз- рушения и упрочнения, невозможно понять без привлечения теории де- фектов (в частности, теории дислокаций) и свойств самих дефектов. 1.2.1. Точечные дефекты Наиболее распространенным типом дефектов в кристалле явля- ется узел решетки, в котором отсутствуют атом, ион или молекула. Та- кой дефект называется вакансией. В металлических соединениях уда- ление иона по необходимости приводит к удалению электрона, так как кристалл в целом должен оставаться нейтральным. Это условие нейтральности весьма жесткое, оно всегда строго выполняется. В чисто ионных кристаллах условие нейтральности, в отсутствии дефектов других типов требует равного количества анионных и кати- онных вакансий. Такая пара вакансий разных знаков получила название дефекта по Шоттки. Дефектом, противоположным вакансии, является межузельный атом (внедренный атом). Он возникает при смещении атома или иона в положение, которое не является узлом решетки.
Чтобы обеспечить нейтральность решетки, требуется либо доба- вочный электрон, либо вакансия на месте иона того же знака или при- месный ион. Вакансии встречаются в любых структурах, а межузельные атомы легче возникают в кристаллах, которые имеют большие межатомные промежутки между строящими единицами в кристаллической решетке, чем в плотноупакованных, где для них, вообще говоря, нет места. Примером кристаллов первого типа являются решетки алмаза и каменной соли, а кристаллов второго типа – металлы с плотной упа- ковкой. Поэтому маловероятно найти при обычных условиях меж- узельные атомы в металлах, имеющих гранецентрированную кубическую решетку. Кроме дефектов по Шоттки (пара вакансий различного знака) существуют дефекты по Френкелю, представляющие собой пару, состоящую из межузельного атома и вакансии, которая может быть положительного или отрицательного знака. Для введения в кристаллическую решетку разных типов точечных дефектов применяют различные физические воздействия: облучение быстрыми частицами, проведение различных видов термообработки или пластической деформации. С увеличением массы быстрых частиц (при α-, β-, γ-облучении) возрастает количество точечных дефектов, которое может быть получено при облучении. Это связано с тем, что быстрая частица, попадающая в кристалл, тормозится за счет упругих и неупругих столкновений с частицами кристалла. Если масса быстрой частицы мала (например, как у электрона), то она потеряет свою кинетическую энергию быстрее, чем тяжелая. На количество образующихся при облучении точечных дефектов влияет заряд действующих частиц: для незаряженных частиц (нейтронов) сечение столкновения гораздо меньше, чем для заряженных, но первые создают гораздо больше выбитых атомов. Эта разница обуслов- лена тем, что заряженные частицы легко ионизируют ионы или атомы кристалла и теряют при этом большую долю своей энергии, не выбивая атомов из узлов. Вместе с этим заряженные частицы средних энергий не проникают глубоко в материал. Для получения дефектов по Френ- келю применяют γ-лучи большой энергии (от источника Со-60). Под воздействием γ-лучей внутри материала возникают быстрые электроны, которые в свою очередь выбивают атомы. Гамма-лучи об- ладают гораздо большей проникающей способностью, чем электроны,
Доступ онлайн
В корзину