Основы нанотехнологии

У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
У Ч Е Б Н И К Д Л Я В Ы С Ш Е Й Ш К О Л Ы

Учебник

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по образованию в области
радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению 211000
«Конструирование и технология электронных средств»

ОСНОВЫ
НАНОТЕХНОЛОГИИ 

Москва
Лаборатория знаний
2021

3-е издание, электронное

УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73
К89

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
Кузнецов Н. Т.
К89
Основы нанотехнологии : учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Новоторцев, В. А. Жабрев, В. И. Марголин. — 3-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2021. — 400 с. — (Учебник для высшей
школы). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-906828-26-2
В учебнике изложены общие представления о нанотехнологии, ее концептуальные проблемы. Затронуты вопросы самоорганизации и синергетики
в наномире, проанализированы возможности нанометрологии. Рассмотрены
специфические особенности и проблемы наномира.
Для студентов, изучающих дисциплины, связанные с применением нанотехнологии, магистрантов и аспирантов, инженерно-технических и научных
работников, а также интересующихся проблемами современной науки.
УДК 544-022.532(075.8)
ББК 24+32.844.15я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы нанотехнологии : учебник / Н. Т. Кузнецов, В. М. Новоторцев, В. А. Жабрев, В. И. Марголин. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — 397 с. : ил. — (Учебник
для высшей школы). — ISBN 978-5-9963-0853-8.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-906828-26-2
© Лаборатория знаний, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Глава 1. Общие представления о нанотехнологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.1. Научное мировоззрение и наномир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.2. Исторические начала и корни нанотехнологии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.3. Переход от микротехнологии к нанотехнологии. Наномир  . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
1.4. Особенности наноразмерного состояния вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
1.5. Терминологическая база нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
1.6. Доктрина развития работ по нанотехнологии и наноматериалам
в России . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

1.7. Магистральные направления развития нанотехнологии.
Прогнозы и перспективы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Контрольные вопросы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

Глава 2. Концептуальные проблемы нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.1. Проблема размерных эффектов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
2.2. Роль информации и информационной составляющей в наномире  . . . . . . . . . . . .95
2.3. Проблемы невоспроизводимости в нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.4. Проблема измерений в квантовой механике и наномире  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.5. Проблема слабых и сверхслабых воздействий в нанотехнологии . . . . . . . . . . . 120
2.6. Резонансные взаимодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.6.1. Некоторые резонансные явления, перспективные
для нанотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2.6.2. Принцип фрактальности применительно к резонансным процессам
и явлениям . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

2.7. Эффекты дальнодействия в наномире . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

2.7.1. Эффекты дальнодействия в наноразмерных структурах  . . . . . . . . . . . . . 137
2.7.2. Эффект ориентированной кристаллизации через аморфную среду . . . . 138
2.7.3. Эффект дальнодействия, возникающий при энергетическом
воздействии на систему  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Контрольные вопросы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Глава 3. Самоорганизация и синергетика в наномире . . . . . . . . . . . . . . . .149
3.1. Процессы самоорганизации и синергетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.2. Реализация процессов самоорганизации в различных системах . . . . . . . . . . . . 166
3.3. Некоторые представления о роли самоорганизации в наномире . . . . . . . . . . . . 178

3.3.1. Кластер. Магические числа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.3.2. Структурные скелеты и надмолекулярное состояние вещества.
Понятие мезофазы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.4. . . . . . . . 184
3.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.6.1. ,
. . . . . . . . . . . . . . . . 204

3.6.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

3.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

4. . . . . . . . . .227
4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.3. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

4.4. , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

4.4.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
4.4.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
4.4.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

4.5. . –. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

4.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

4  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288

5. . . 289
5.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
5.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
5.5. . . . . . . . . . . . . . . . . 312
5.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
5.7. -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
5.8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
5.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5.10. --. . . . . . . . . 353
5.11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .367
5  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .377

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .392

Последняя треть прошлого, двадцатого, века существенно изменила и расширила наши представления об окружающем мире. Появились новые, революционные в хорошем смысле слова, подходы к описанию природы, например 
фрактальная геометрия и фрактальная физика, теория детерминированного 
хаоса, нелинейная динамика, термодинамика неравновесных процессов. Развитие аналитической инструментальной базы привело к появлению таких 
прецизионных методов исследования, как комплекс туннельно-зондовых технологий, включающий сканирующую туннельную, атомно-силовую, электросиловую и магнитно-силовую микроскопию. Многие лаборатории и исследовательские центры расширили парк своей научной аппаратуры за счет микроскопов ближнего поля, конфокальных оптических и конфокальных лазерных 
микроскопов, электронных микроскопов сверхвысокого разрешения и высокоразрешающих сканирующих электронных микроскопов.
Эти новации в науке и технике выявили непростую проблему перехода 
от микромира к наномиру, в узком аспекте — от микротехнологии и микроэлектроники к нанотехнологии и наноэлектронике, а в более глобальном — 
к расширению научного мировоззрения. Для неорганической химии переход 
в наноразмерный масштаб позволил обнаружить новые структурные типы, 
строение которых не соответствует законам классической кристаллографии. 
Для наночастиц характерны разнообразные структурные элементы — нульмерные, одномерные, двухмерные, трехмерные, имеющие обычную структуру и фрактальные. Наносистемы далеки от равновесного состояния в силу 
различных причин, в том числе из-за наличия развитой поверхности. Атомы 
вблизи поверхности отличны как по структурным, так и физико-химическим 
характеристикам от атомов в объеме кристалла, а состав приповерхностной 
области не соответствует стехиометрическому составу химического соединения. Многообразие наночастиц и структурная неоднородность наносостояния 
не всегда укладываются в представления классической кристаллографии.
В рамках классической кристаллохимии все структурные типы можно 
разделить на 5 категорий в соответствии с основной доминантой структуры: 
координационные, островные, цепочечные, слоистые, каркасные. В наноструктурах доминант может быть несколько. Это справедливо как по отношению к доминантам отдельных соседних фрагментов, так и по отношению 
к объединяющей доминанте, в соответствии с которой фрагменты образуют 
структуру следующего уровня иерархии. Анализируя структуру наночастиц 
(осуществляя целенаправленный синтез структуры гипотетической нано систе мы с целью придания ей требуемой функциональности), следует выделить 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие

основные структурные фрагменты и на каждом уровне иерархии в пределах 
каждого фрагмента определить основные структурные доминанты.
Неорганические наночастицы по своей структуре часто корреспондируют 
с известными ранее характерными чертами биологических объектов. В диапазоне наноразмеров весьма вероятна конвергенция между живой и неживой природой, т. е. совместимость органических и неорганических веществ, 
так как для наночастиц снимаются многие запреты и ограничения классической симметрии на совместимость элементов. (В настоящее время признанным центром таких исследований является «Курчатник», возглавляемый 
М. Н. Ковальчуком.) В неорганическом наномире реализуется пентагональная 
и икосаэдрическая симметрия, допустимы поворотные и винтовые оси 5-го, 
7-го и более высоких порядков, возможна геликоидальная симметрия.
По всей вероятности, реализуются не только все три типа геометрии постоянной кривизны — Евклида, Лобачевского и Римана (здесь уместно вспомнить гипотезу Вернадского), но и определенные конструкции проективной 
геометрии. Наномир демонстрирует многообразие структур и, как следствие, 
многообразие форм наночастиц.
В 1959 г. нобелевский лауреат Р. Фейнман выразительно сказал, «что полно игрушек на полу в комнате», объясняя тем самым, что в области малых 
размеров масса интересного. Многие считают это началом наноэпохи. Однако 
Фейнман имел в виду чисто количественные аспекты. В 1977 г. другой нобелевский лауреат Илья Романович Пригожин указал на невозможность простого перехода от процессов на макроскопическом уровне к обратимым процессам на микроскопическом уровне и определил круг проблем, связанных 
с решением этой задачи. Выдающиеся открытия отечественных и зарубежных 
химиков в области синтеза и исследования строения наночастиц открывают 
новую страницу в ее преодолении. Современные аналитические методы высокого разрешения позволяют экспериментально изучать наносостояние на 
уровне индивидуальных наноразмерных объектов — наночастиц и кластеров. 
С уменьшением размеров объектов возрастает потенциальное быстродействие системы, что является очень важным аспектом для электроники и вычислительной техники. Достигнутое быстродействие в реальных устройствах 
составляет уже около 1 нс (10–9 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков, в ряде наноструктур — до фемтосекунд.
Сейчас первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, 
направленные на создание принципиально новых технологических процессов, материалов и продуктов в таких областях, где традиционными методами в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов, особенно это
касается материаловедения.
В громадном и слабо освоенном промежутке между макроуровнем (где 
действуют хорошо разработанные континуальные теории сплошных сред и 
инженерные методы расчета и конструирования), плавно переходящим в микроуровень, и атомарным (подчиненным законам квантовой механики) находится обширный уровень структуры материи, — наномир. Именно на этом 
уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами ДНК, РНК, белками, ферментами, субклеточными структурами, 

Предисловие 
7 

требующие более глубокого понимания. В наномире могут быть искусственно 
созданы неизвестные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь  человеческого сообщества. Возникающие при малых размерах 
и низких температурах специфические квантовые размерные эффекты могут 
быть использованы в электронике, оптике, вычислительной технике.
Поэтому можно только приветствовать появление учебника, в котором 
проложен мост к пониманию физических основ и физико-химических проблем нанотехнологии и наноэлектроники, рассмотрены на концептуальном 
уровне многие вопросы, в том числе основы фрактальной геометрии, фрактальной физики и нелинейной динамики.
Отличие представляемого учебника от прочих, довольно многочисленных 
учебных пособий и монографий в области нанотехнологии состоит в том, что 
авторы стремятся уходить от обсуждения частных проблем, явлений и наноэффектов, освещая общие представления и концептуальные подходы к нанотехнологии и наномиру. Рассматриваются основы наших представлений 
о нано технологии, ценности этого направления науки сегодня и ее перспективы на будущее в максимально обобщенном виде.
К достоинствам учебника следует отнести четко прослеживаемое желание авторов делать упор на физическую и химическую интерпретацию рассматриваемых явлений, а не на написание ворохов длиннейших формул, которые угнетающе действуют на психику читателя, обрекая его на сомнения 
в собственной умственной полноценности. Физическая, а не математическая 
интерпретация окружающего мира намного доступней и эффективней для читателя любого уровня подготовленности.
Следует также отметить, что данный учебник написан авторами в порядке 
личной инициативы, без поддержки каких-либо фондов, благотворительных 
организаций, грантов и поощрительных премий.

Директор ВИАМ
академик Е. Н. Каблов

Развитие наших представлений об окружающем мире тесно связано с возможностью познавать его на всех масштабных уровнях: от гигантских звездных 
систем до мельчайших вирусов и в перспективе — молекул и атомов. Ограниченность и определенное несовершенство человеческого организма, способного познавать мир с помощью органов пяти чувств в очень ограниченных 
диапазонах (зрение: 0,3–0,6 мкм, слух: 40–20 000 Гц), вынуждают применять 
для познания мира инструментальную технику, которая позволяет получать 
в том или ином виде, прямо или косвенно интересующую информацию. Оптический микроскоп и телескоп расширили наши представления об окружающем мире сразу по обе стороны доступного человеку масштабного диапазона. 
Процессы, происходящие в далеком космосе, в макро- и микромире оказались 
приоткрытыми для исследования и изучения. Применение полученных знаний 
на практике позволило создать мощнейшую технологическую базу человечества.
Совершенствование методов исследования позволяло двигаться по масштабной шкале, познавая все более мелкие объекты. Мечтой многих исследователей было увидеть мельчайшие структурные единицы материи — атомы 
и молекулы. Для этого надо было освоить масштабный диапазон, лежащий 
в области нанометров (порядка 10–9 м). В соответствии с масштабной приставкой «нано» (от греческого нанос — карлик) этот масштаб стали называть 
наноразмерным, а все с ним связанное получило приставку «нано». Однако оказалось, что переход в нанодиапазон не является простым переходом
к другой единице измерения, все гораздо глубже. Свойства вещества в наносостоянии оказались весьма отличными от свойств в привычных агрегатных 
состояниях: газообразном, жидком, твердом и плазменном. Это дает право 
считать наносостояние пятым состоянием вещества, поскольку любое ве щество может быть получено и исследовано в этом состоянии.
Сейчас мир стоит на пороге новой научно-технической революции, последствия которой представить пока затруднительно. Ученые вплотную подошли к оперированию объектами с размерами нанометрового диапазона, что 
и получило комплексное название нанотехнологии, ее фундаментальную часть 
принято называть нанонаукой, а совокупность исследуемых объектов — наномиром. И это действительно очередная революция, но прежде всего она, как 
ни странно, должна произойти в умах людей.

ВВЕДЕНИЕ

Введение 
9 

Объектами нанотехнологий являются не только, собственно, низкоразмерные объекты — наноэлементы с характерными размерами как минимум 
по одной пространственной координате (наноусы, наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), но и макроскопические объекты 
(объемные материалы, отдельные элементы устройств и систем), структура 
которых контролируемо создается с разрешением на уровне отдельных наноэлементов и существенно отличается от свойств более крупных объектов того 
же состава. При этом под устройствами или системами, изготовляемыми с использованием нанотехнологий, понимают таковые, в которых как минимум 
один компонент является объектом нанотехнологий (т. е. существует как минимум одна стадия технологического процесса, результатом которой является 
объект нанотехнологий).
К сфере нанотехнологии относятся нанокристаллы и наночастицы (в том 
числе и квантовые точки), нанотрубки, нановолокна, наноусы, двумерные нано объекты с характерными толщинами порядка размера молекул. Под наноструктурами понимают комбинации вышеперечисленных элементов, для которых наблюдаемые физические свойства непосредственно определяются 
размерно-зависимыми свойствами элементов: это многослойные и многополосные структуры и сетки; твердотельные гибриды и гетероструктуры на 
основе полупроводников, металлов и магнетиков; элементы или наборы элементов, контролируемо модифицированные функциональными молекулами, 
мицеллами или биологическими объектами субмикронных размеров.
К наноматериалам относят полностью или частично состоящие из вышеперечисленных элементов твердые или жидкие материалы, для которых какиелибо макроскопические свойства определяются размерами и/или взаимным 
расположением элементов:
 наночастицы в твердых, полимерных и жидкокристаллических матрицах; 
 наночастицы на подложках;
 нанокапсулы;
 слоистые материалы с характерным размером фрагментов порядка постоянной решетки;
 суперкристаллы на основе упорядоченных наноэлементов;
 гранулированные наноразмерные материалы;
 бионаноматериалы и биофункционализированные наноматериалы;
 объекты традиционных технологий (нанопорошки, нанопористые материалы, золи, гели, эмульсии, пены, наногетерогенные полимеры и т. д.).

Нанонаука и нанотехнология создают принципиально новую техническую 
и технологическую базу цивилизации и опираются на новейшие достижения 
в области химии и физической химии, коллоидной химии, прикладной математики, физики твердого тела, фрактальной физики и геометрии, нелинейной 
динамики, динамического хаоса, материаловедения и других естественных 
наук. Современная нанотехнология отличается тем, что она соединила талант 
химика-синтетика, химика-аналитика с мастерством инженера, и именно этот 
союз позволил создать самые замысловатые структуры благодаря использованию как разнообразных темплатов, так и бестемплатных процессов.

Введение

В результате технологической революции элемент информационного 
устройства сам стал производить сложные действия над потоками информации, общаясь с внешним миром на языке математической логики. Эти информационные потоки могут быть реализованы в виде переноса заряженных 
частиц или квантов электромагнитного поля. Каждый последующий этап 
компьютерной эволюции будет изменять именно функции элементов информационных устройств, а важнейшие принципы их работы и, возможно, технологии их изготовления предыдущей революции останутся в какой-то степени 
до поры и времени консервативными. Но только 
до той поры, пока в недрах технологического прогресса не созреет новая техническая революция 
нанотехнологии. Технологические достижения в 
области создания элементной базы современных 
компьютеров наглядно иллюстрирует показанный 
на снимке микропроцессор фирмы «Интел», содержащий 4,7 млн транзисторов и размещенный на 
кончике пальца рядом с рисовым зернышком [1].
Однако тысячи остроумных приемов и десятки сложных физических явлений не реализуют сами по себе предмет развитой технологии, а нанотехнологии 
в особенности. Не существует такого приема или явления, которые могли бы 
самодостаточно выразить ее сущность. Элементную базу современной микроэлектроники, к примеру, для достижения практически любой поставленной цели 
можно реализовывать на основе самых разнообразных физических явлений 
и использовать разные материалы — полупроводниковые, сверхпроводящие, 
магнитные или оптические. При этом должен сохраняться единственный принцип — это обработка информационных сигналов в мезоскопически и микроскопически малых областях твердого тела, в которых средствами современной 
технологии создано определенное распределение электронных свойств. Однако 
на смену микроэлектронике идет наноэлектроника, а есть еще нанохимия, нанобиология и наномедицина. По-видимому, роль биологии и химии будет еще 
больше возрастать, несмотря на то что уже сейчас они являются магистральными направлениями развития нанотехнологии.
Потоки электронов, заключенные в полупроводниковый кристалл, дали 
в свое время начало новой ветви эволюции элементной базы — поколению 
интегральных схем. Подвижность электронов в сочетании с малыми внутрикристаллическими размерами обеспечили скорость, а структура твердого 
тела — организацию информационных потоков в микропространстве. Это 
привело к необходимости формировать кристалл с почти идеальным расположением атомов в решетке, заданным распределением примесей, образующих 
внутри кристалла сложную пространственную фигуру, и созданием на поверхности кристаллов элементов с возможно более малыми размерами (планарная 
технология). Эти принципы распространились уже и на аморфные твердые 
тела, а не только на идеальные кристаллы. В нанотехнологии ситуация существенно более сложная и принципиально иная. Нужно отказаться от многих привычных взглядов и понятий или относиться к ним по крайней мере 
с величайшей осторожностью. Более того, надо осознать многие непривычные