Нанотехнологические процессы самоорганизации наноструктур и наносборки радиоэлектронных систем

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
К.В. Малышев,   Е.А. Скороходов,   В.А. Шалаев 
 
 
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУР  
И НАНОСБОРКИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ  
СИСТЕМ 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М о с к в а  
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8  
 

УДК 621.38(075.8) 
ББК 32.85 
М207 
Рецензенты: В.В, Маркелов, Г.Ф, Гармаш 
 
М207
Малышев К.В., Скороходов Е.А., Шалаев В.А. 
Нанотехнологические процессы самоорганизации нано- 
структур и наносборки радиоэлектронных систем: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 54 с.: ил. 
ISBN 978-5-7038-3265-3 
Рассмотрены процессы изготовления наноструктур различных 
размерностей с помощью их самоорганизации и наносборки, описаны 
процессы самосборки 2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур 
(нанонитей) и 0D-наноструктур (наночастиц). Приведены основные 
понятия и описаны процедуры, необходимые для экспериментального и теоретического изучения процессов самоорганизации наноструктур, применяемых в нанотехнологиях. 
Для студентов 6-го курса. 
 
УДК 621.38(075.8) 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3265-3 
 
 
      © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Нанотехнологические процессы формирования наноструктур 
развиваются в настоящее время по нескольким направлениям. В 
последние несколько лет возникло и бурно совершенствуется новое направление, основанное на самоорганизации наноструктур. 
Суть этого направления хорошо иллюстрируется открытием самоорганизации арсенид-индиевых островков нанометровых размеров 
на арсенид-галлиевой подложке, за которое Ж.И. Алферов недавно 
получил Нобелевскую премию.  
Коллектив Алферова столкнулся с проблемой получения арсенид-индиевых нанослоев хорошего качества. Эти нанослои никак не 
удавалось вырастить гладкими и сплошными. А именно такие нанослои нужны для изготовления полупроводниковых лазеров на 
квантовых ямах. Над этой проблемой трудились (и продолжают 
трудиться с очень незначительным успехом) многие научные коллективы во всем мире. Вместо того чтобы идти по этой проторенной 
дороге, Алферов и его коллеги задались вопросом: «А что вырастет 
вместо арсенид-индиевого нанослоя, если предоставить ему свободу, а не стараться получить из него гладкий слой?». Оказалось, что 
совершенно самостоятельно вырастают хорошо упорядоченные арсенид-индиевые островки одинакового нанометрового размера на 
одинаковом нанометровом расстоянии друг от друга. Вместо искомого полупроводникового лазера на квантовых ямах в результате 
был получен гораздо лучший лазер на квантовых точках. 
Приставка «само» в слове «самоорганизация» призвана подчеркнуть самостоятельность явления, его неожиданность для экспериментатора. Самоорганизация не исключает применимости физических законов. После обнаружения каждого конкретного 
явления самоорганизации для него составляют математическую 
модель, которую далее совершенствуют по обычному сценарию.  
 
3 

Отличие этой новой методологии от традиционной заключается 
только в том, что человек не диктует природе свои процессы, а присматривается к тем, которые идут сами по себе, и адаптируется к 
ним, чтобы направить их течение в нужном для себя направлении. 
Такая замена ставшего уже традиционным образа «хозяина природы» на образ «соавтора природы» актуальна, так как в настоящее 
время на первый план выходит требование бережного взаимодействия с окружающей средой. Самоорганизационное направление в 
нанотехнологии гармонично развивает и природу, и человека в единении с природой. 
В 
пособии 
рассматриваются процессы 
самоорганизации  
2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур (нанонитей) и 0Dнаноструктур (наночастиц). Рассмотрены также основные теоретические и экспериментальные процедуры, применяемые при изучении этих процессов. 
 
 
 
4 

 
1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССОВ  
САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУР 
1.1. Наносборка, самосборка и самоорганизация наноструктур 
Наноструктуры различных размерностей можно собирать из 
других наноструктур, как из деталей конструктора. Такой нанотехнологический процесс называется наносборкой. На рис. 1.1 
показана наноструктура, состоящая из нанослоя 1, нанонити 2 и 
наночастиц 3, которая может входить в состав будущих наноэлектронных интегральных схем и наноэлектромеханических 
систем. В наносборке можно выделить два главных направления: 
1) традиционное для микроэлектроники, при котором не используются принципы самоорганизации; 2) новое направление,  
основанное на принципах самоорганизации и синергетики. Для 
реализации традиционного «микроэлектронного» направления 
требуется использовать бездефектные материалы и сверхчистые 
условия, например сверхвысокий вакуум и чистые комнаты для 
оборудования и персонала. «Синергетическое» и «самоорганизационное» направления принципиально ориентированы на обычные условия окружающей среды.  
Рассмотрим основное различие между двумя направлениями на 
наглядном примере. Пусть перед нами стоит задача построить дом 
в лесу. Традиционный способ его строительства или сборки состоит в том, чтобы сначала очистить площадку от всего лишнего (например, вырубить деревья и выровнять площадку) и только затем 
строить на подготовленном месте. Новый «самоорганизационный» 
способ предполагает во многом противоположные действия. Мы 
должны присмотреться к тому, что происходит на «месте будущего строительства» без нашего вмешательства, и принять участие в 
этих процессах, не уничтожая их, а гармонично дополняя. Напри 
5 

1
3
10 нм 
10 нм 
10 нм 
Рис. 1.1 
мер, можно сделать из деревьев дом (что-то вроде «шалаша») не 
выкорчевывая их, а «мягко» влияя на их рост.  
Говоря кратко, «самоорганизационная» нанотехнология предполагает сотрудничество («синергию») нанотехнолога с теми процессами, которые идут в природе без его участия. Преимуществами 
«самоорганизационной» концепции нанотехнологии являются:  
1) дешевизна процесса (не нужны сверхвысокий вакуум и сверхчистые материалы и подложки); 2) гармоничность взаимодействия 
природы и человека, что жизненно важно для общества и личности, 
особенно в условиях нынешнего экологического кризиса. Процессы 
наносборки на основе самоорганизации кратко называют «самосборкой». Таким образом, в рамках самоорганизационного направления нанотехнологии термины «наносборка», «самосборка» и «самоорганизация» можно рассматривать как синонимы. 
Самоорганизацией формально называется внезапное возникновение упорядоченной структуры в открытой нелинейной диссипативной системе при плавном изменении некоторого параметра А, 
управляющего этой системой (рис. 1.2). Сначала в состоянии системы t = 0 не видно никакой структуры, например распределение 
величины P(x) по координате x равномерно. Затем при плавном 
увеличении параметра А наступает такой момент t = t1, когда произвольно малого изменения А достаточно, чтобы распределение 
P(x) из хаотичного стало упорядоченным, например синусоидальным или дельтаобразным (сосредоточенным в одном или нескольких скоплениях).  
Самоорганизация свойственна явлениям в областях самых разных характерных размеров (10–9…10–3 м и выше) — от нанометров 
до микрометров, миллиметров и выше. По такому сценарию раз 
6