Основные материалы и методы нанотехнологий

ОСНОВНЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 
НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Н.В. ЛАТУХИНА
Москва
ИНФРА-М
2025
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 620.3(075.8)
ББК 30.600.3я73
 
Л27
А в т о р:
Латухина Н.В., кандидат технических наук, доцент, Самарский 
нацио нальный исследовательский университет имени академика 
С.П. Королева
Р е ц е н з е н т ы:
Кондратьева Л.А., доктор технических наук, профессор, Самарский 
государственный технический университет;
Цирова И.С., кандидат физико-математических наук, доцент, Самарский университет
ISBN 978-5-16-019931-3 (print)
ISBN 978-5-16-112467-3 (online)
© Латухина Н.В., 2025
Латухина Н.В.
Л27  
Основные материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие / 
Н.В. Латухина. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 196 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/2145985.
ISBN 978-5-16-019931-3 (print)
ISBN 978-5-16-112467-3 (online)
В учебном пособии изложены общие представления о наночастицах 
и нанопорошках, особенности и свой ства углеродных наноструктур, нанокомпозитных, пористых материалов, ультрадисперсных систем. Представлены инструмен ты синтеза наноструктур. Особое внимание уделено 
вопросам современного применения наноматериалов в электронике, медицине и биотехнологии. В дополнительной главе изложены базовые физические основы нанотехнологий, изучаемые в рамках общеобразовательных 
программ, которые служат фундамен том для освоения курса по материалам и нанотехнологиям. После каждой главы представлены контрольные 
вопросы, примеры задач с решениями и задания для самостоятельного выполнения, а также библиографический список.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов, обучающихся по основной образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 03.04.02 
«Физика». 
УДК 620.3(075.8)
ББК 30.600.3я73
Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение
Нанотехнологии стали одним из ключевых направлений науки 
и техники. Бурное развитие этой области началось в конце XX в., 
и сейчас продукты нанотехнологий применяются в различных 
сферах деятельности человека. Это информационные и телекоммуникационные системы, компьютерные сети, сенсорная техника, 
строительные материалы, биотехнологии, космонавтика, авиа- 
и машиностроение. В полупроводниковой электронике уникальные 
свой ства и возможности наноразмерных систем проявились наиболее ярко. Переход к наноразмерным элементам позволяет существенно увеличить долю компонент электроники в медицинских, 
биологических, экологических, химических и других технологиях.
Множество инновационных идей находится в стадии исследования и разработки. Такой интерес обусловлен возможностью модифицикации свой ств хорошо известных материалов при переходе 
к их нанометровым размерам, создавать принципиально новые 
наноструктурные элемен ты и изделия. Практическое внедрение 
этих технологий позволяет не только экономно расходовать сырье, 
энергию, сократить выбросы в окружающую среду, повышая устойчивость экономики, но и получать материалы, устройства с уникальными свой ствами. Изучение вещества на уровне нанометров 
расширяет горизонты естественных наук физики, химии, биологии. 
Развитие инженерных направлений нанотехнологии позволяет 
конструировать материалы и приборы, манипулируя атомами и молекулами.
Нанометровый диапазон измерений открывает мир новых 
свой ств вещества. По сравнению с массивными твердыми телами 
изменяются параметры кристаллической решетки и атомная динамика; тепловые, электронные, магнитные свой ства. Магнитные 
кластеры становятся однодоменными, для ряда металлов возрастают и появляются магнитные момен ты на атом, наблюдаются 
магнитные фазовые переходы и возникает явление суперпарамагнетизма. Эти эффекты зависят от размера и геометрии наносистем, 
поверхности и взаимодействия структурных единиц. Появляется 
возможность управлять свой ствами вещества.
Курс «Основные материалы и методы нанотехнологий» предназначен для студентов магистратуры первого года обучения по основной образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 03.04.02 «Физика».

Освоение курса предполагает формирование следующих компетенций.
ПК-1. Способен определять направление и содержание фундаментальных и прикладных исследований в области физики 
экстремальных состояний, газодинамики, физического материаловедения, разработки перспективных материалов (в том числе 
композитов, мета- и наноматериалов), изделий опто-, микро- 
и наноэлектроники.
Обучающийся знает: методы и способы постановки и решения 
задач физических исследований, принципы действия, функциональные и метрологические возможности современной аппаратуры 
для физических исследований, возможности, методы и системы 
компьютерных технологий для физических теоретических и экспериментальных исследований.
Умеет: самостоятельно ставить и решать конкретные физические задачи научных исследований в области физики с использованием современной аппаратуры и компьютерных технологий.
Владеет: навыками постановки и решения задач научных исследований в области физики с помощью современных методов 
и средств теоретических и экспериментальных исследований.
ПК-2. Способен проводить теоретические и экспериментальные исследования в области физики экстремальных состояний, газодинамики, физического материаловедения, разработки 
перспективных материалов (в том числе композитов, мета- и наноматериалов), изделий опто-, микро- и наноэлектроники.
Обучающийся знает: функцио нальные и метрологические возможности современной аппаратуры для физических исследований.
Умеет: решать конкретные физические задачи научных исследований в области физики с использованием современной аппаратуры.
Владеет: навыками решения задач научных исследований в области физики с помощью современных методов и средств экспериментальных исследований.
ПК-3. Способен обрабатывать и анализировать результаты научных исследований в области физики экстремальных состояний, 
газодинамики, физического материаловедения, разработки перспективных материалов (в том числе композитов, мета- и наноматериалов), изделий опто-, микро- и наноэлектроники.
Обучающийся знает: физические явления, определяющие 
свой ства наноматериалов и лежащие в основе работы приборов наноэлектроники, и физические законы, описывающие эти явления.

Умеет: анализировать результаты своей научно-исследовательской деятельности и сопоставлять их с современными достижениями мирового уровня в области нанотехнологий.
Владеет: навыками обработки результатов научных исследований в области нанотехнологий.

Глава 1. 
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ 
О НАНОМАТЕРИАЛАХ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
В основе классификации наноматериалов могут быть разные 
признаки. Классификацию можно проводить по геометрическим 
характеристикам (размерности), функцио нальному назначению, 
электронным свой ствам, агрегатному состоянию. Общим признаком для всех наноматериалов является наличие каких-либо наноразмерных структурных элемен тов, определяющих особые свойства, не присущие материалу изначально.
Изменения свой ств материала обусловлены в основном двумя 
факторами: увеличением доли поверхности и проявлением квантовой природы атомов и молекул (квантово-размерный эффект).
Квантово-размерный эффект —  это проявление размерного эффекта в нанометровом масштабе, когда при уменьшении размеров 
структурного элемента хотя бы по одному направлению до некоторой критической величины у материалов появляются принципиально новые свой ства, качество или какие-либо свой ства изменяются скачком. Критический размер определяется характеристическим параметром, например, у полупроводников и металлов это 
длина волны де Бройля для электрона, длина свободного пробега, 
магнитный момент и др. Для большинства полупроводников и металлов диапазон демонстрации квантово-размерного эффекта охватывает от 0,1 до 100 нм, по это му обычно к наноматериалам относят 
вещества, размеры характеристических параметров и структурных 
элемен тов которых лежат в этом диапазоне.
По геометрической форме и размерности структурных элемен тов 
наноматериалы подразделяют на трехмерные (3D), двумерные 
(2D), одномерные (1D) и нульмерные (0D). При этом наряду с обширным классом твердых наноматериалов, как кристаллических, 
так и аморфных, существует класс наноматериалов в жидком агрегатном состоянии —  коллоидные раство ры, наносуспензии, наногели (рис. 1.1).
Трехмерные (3D) наноматериалы представляют собой композиции элемен тов меньшей размерности (двумерных, одномерных, 
нульмерных), которые называют системами пониженной размер

ности или квантово-размерными. Именно свой ства систем пониженной размерности определяют в основном свой ства трехмерных 
наноматериалов. Это ультрадисперсные порошки, нанокомпозиты, нанопористые структуры, гетероструктуры, нанодисперсии 
(коллоиды). К особому классу 3D-материалов относятся сверхрешетки, свой ства которых обусловлены синергетическим действием 
их элемен тов меньшей размерности.
Рис. 1.1. Примеры основных типов наноразмерных структур. Изображения 
получены с помощью растрового электронного микроскопа
Двумерными (2D) наноматериалами называются тонкие пленки 
и тонкие слои материалов, размер которых только по одной из трех 
координат лежит в нанометровом диапазоне, а по двум другим значительно больше. По своим электронным свой ствам такие структуры относятся к структурам с двумерным электронным газом 
(ДЭГ) или с квантовыми ямами (КЯ), поскольку в них электроны 
проводимости могут свободно двигаться (подобно молекуле газа) 
лишь по двум направлениям. По третьему направлению движение 
электронов ограничено потенциальными барьерами на краю слоя 
или пленки, так что частица оказывается в потенциальной яме. 
К двумерным наноматериалам можно отнести и наноструктурированные поверхности.

Одномерными (1D) наноматериалами являются нанонити, нанопроволоки, нанотрубки, вискеры и т.п. Размер их по двум координатам из трех ограничен нанометровым диапазоном, а по третьей 
координате выходит за его пределы. Это структуры с одномерным 
электронным газом, квантовыми нитями или квантовыми проводами (КП), поскольку электроны проводимости могут свободно 
двигаться как молекулы газа лишь по одному направлению, по оси 
нанонити или нанотрубки, а по двум другим направлениям их движению препятствуют потенциальные барьеры на границе.
Нульмерными (0D) называются наноматериалы, размеры которых по трем координатам не выходят за пределы наномет рового 
диапазона. Это наночастицы —  нанокластеры, нанокристаллы. 
По электронным свой ствам они относятся к структурам с нульмерным электронным газом или квантовым точкам (КТ), поскольку 
электроны проводимости не могут свободно двигаться (подобно 
молекулам газа) ни по одному из трех направлений, их движение 
ограничено потенциальными барьерами по всем границам.
По функцио нальному назначению наноматериалы можно разделить на три больших класса: для создания средств электроники; нанобиоматериалы для медицины и фармакологии; конструкционные 
и функцио нальные материалы (табл. 1.1).
Обширный класс наноматериалов для электроники включает 
в основном полупроводники и полупроводниковые структуры, 
но также диэлектрики и металлы. Сложные композиции из этих материалов находят применение в различных областях наноэлектроники. Именно в полупроводниковой электронике использование 
наноматериалов дает наиболее впечатляющие результаты. Развитие 
технологии полупроводниковых структур к все меньшим размерам 
отдельных элемен тов вплоть до наномасштаба привело не только 
к миниатюризации устройств и схем электроники, но и к созданию 
приборов и устройств с новыми принципами действия, формированию новых отраслей —  молекулярной электроники, спинтроники 
и других под общим названием наноэлектроника.
Переход к наноразмерным элементам позволяет освоить новые 
области применения и существенно увеличить доли компонент полупроводниковой электроники в технологиях. К наноэлектронным 
относятся многочисленные приборы медицинского назначения, 
от биосенсоров до биочипов и нанобиороботов для применения 
в диагностике, терапии, хирургии, фармакологии. Наибольшее распространение получили наноматериалы для высокочувствительных 
маркеров, биосенсоров, средств адресной доставки лекарственных 
и других медикаментозных веществ, имплантов и биочипов.

Таблица 1.1
Классификация наноматериалов по функцио нальному назначению
Наноматериалы
3D
2D
1D
0D
Электроника
Гетероструктуры, 
сверхрешетки: фотонные кристаллы, 
нанокомпозиты: интегральные схемы, 
СИД, СЭ, датчики
КЯ (тонкие 
пленки и слои 
в ГС, наноструктурированные 
поверхности): 
РТД, элементы 
лазерных сред
КП (вискеры, 
УНТ)
КЯ: нанотранзисторы, 
элементы лазерных сред
Медицина
Коллоидные растворы: 
лекарства, медикаментозные вещества, 
нанокомпозиты, нанокерамика: материалы 
для имплантов
Покровные материалы, матрицы 
для роста тканей, 
биомембраны
УНТ: наноиглы, 
вискеры: 
шовные 
материалы
КЯ: биовекторы биомаркеры, чувствительные 
элементы биосенсоров
Функциональные и конструкционные наноматериалы
Наноструктурированные сплавы, нанополимеры, нанопластики, нанокерамика: 
конструкционные 
детали, крепеж, топливные элементы, 
нанобетон, упаковка
Жидкая керамика: 
покрытия
УНТ: нанотрос
Фуллерен: 
антифрикционная смазка
Примечание: СИД — светодиоды; СЭ — сегнетоэлектрики; ГС — гетероструктура; КП — квантовый провод ; УНТ — углеродная нанотрубка.
Обширный класс функцио нальных и конструкционных материалов представлен в основном 3D-наноматериалами, по большей 
части нанокомпозитами. Наноструктурированные сплавы и пластики составляют основу конструкционных материалов; нанополимеры применяются в изготовлении функцио нальных деталей, крепеже, упаковке. Как пример 2D-наноматериала можно привести так 
называемую жидкую керамику или нанокраску, используемую как 
упрочняющее покрытие.

1.2. ПРИНЦИП РАЗМЕРНОГО КВАНТОВАНИЯ
Квантово-размерный эффект связан с квантованием энергии 
носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух 
или трех направлениях. В принципе, дискретный спектр возникает в любом ограниченном потенциальными стенками объеме, 
но практически наблюдается только при достаточно малом, обычно 
менее 10–7 м, ограничивающем размере, сравнимом с длиной волны 
де Бройля для данной частицы.
В квантовой механике координатное описание движения 
частицы заменяется вероятностным. Из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что если координата электрона 
x известна с точностью Δx, то его импульс p можно определить 
не точнее чем Δp ≥ h/2πΔx, где h = 6,63 ⋅ 10–34 Дж·с —  постоянная 
Планка.
Согласно гипотезе де Бройля каждой движущейся частице 
можно сопоставить волну, длина которой равна:
 
λDB = h/p.  
(1.1)
Из формулы (1.1) следует, что, например, для электрона массой 
m = 9 · 10–31 кг длина волны λDB = 0,147 мкм при скорости движения 
5000 м/с. Можно говорить о распределении частицы в пространстве 
и о вероятности этого распределения. Величина, описывающая 
это распределение, получила название ψ-функции, или волновой 
функции. Она дает вероятностное статистическое описание движения отдельной частицы или описание распространения в пространстве волны де Бройля. Квадрат волновой функции |ψ|2(х, y, z, t) 
определяет плотность вероятности обнаружить частицу в момент 
времени t в точке с координатой (х, y, z). Точнее, вероятность w 
обнаружить частицу в координатном интервале Δx равна w = |ψ|2Δx.
Волновая функция содержит полную информацию об электронах или других частицах в атоме, молекуле, кристалле. Явный 
вид волновой функции можно получить из решения уравнения 
Шредингера. В одномерном случае для частицы, находящейся 
в стационарном поле с потенциальной энергией U(x), уравнение 
примет вид:
 
−
ψ +
−
ψ =

( (
)
)
0,
2
h
U X
E
m
 ψ = 0,  
(1.2)
где m и Е —  масса и энергия частицы.
Его решением будет комплексная функция ψ(х, t) = Аеiϕ, описывающая некоторую волну с амплитудой А и фазой колебаний ϕ.