Научные основы нанотехнологий и новые приборы

                НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НОВЫЕ ПРИБОРЫ




Учебник-монография под редакцией
Р. Келсалла, А. Хамли, М. Геогегана


Перевод с английского А.Д. Калашникова







Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2011

    Р. Келсалл, А. Хэмли, М. Геогеган (ред.)

    Научные основы нанотехнологий и новые приборы. Учебник-монография. Пер. с англ.: Научное издание / Р. Келсалл, А. Хэмли, М. Геогеган (ред.) — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2011. — 528 с. ISBN 978-5-91559-048-8

    Книга является коллективной монографией британских специалистов с разнообразными научными и техническими интересами от электротехники до биотехнологий и материаловедения. Она представляет собой подробный обзор современных физико-химических проблем, лежащих в основе нанотехнологий. В ней рассмотрены многочисленные примеры того, что принято называть нанометровыми системами. Авторы определяют понятие наносистем, опираясь на тот факт, что они обладают новыми свойствами, которые уже более не могут рассматриваться как простая экстраполяция свойств аналогичных макроскопических систем в диапазон малых размеров. Отдельные главы посвящены методам получения и исследования наносистем, применяемых в современных электронике, фотонике и биотехнологиях, а также производству новых наноструктурированных материалов. Даётся подробный обзор новых приборов и инструментов, необходимых для работы с нанометровом диапазоне размеров.
    Книга во многом основана на учебных курсах, читаемых авторами в университетах Лидса и Шеффилда.
    Данная книга нацелена прежде всего, на студентов старших курсов, учёных и инженеров, сфера интересов которых связана с нанотехнологиями, а также на преподавателей физических, химических, биологических и материаловедческих факультетов университетов.




ISBN 978-5-91559-048-8      © 2006, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern
                              Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England © 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

         ОГЛАВЛЕНИЕ










    СПИСОК УЧАСТНИКОВ................................................. 13
    ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................... 16

    Глава 1
    ОБЩИЕ МЕТОДОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ:
    КЛАССИФИКАЦИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ.......................................20
       1.1. Введение и классификация...................................20
          1.1.1. Что такое нанотехнология?.............................20
          1.1.2. Классификация наноструктур............................20
          1.1.3. Нанометровая архитектура..............................24
       1.2. Основные электронные свойства атомов и твердых тел.........24
          1.2.1. Изолированный атом....................................24
          1.2.2. Связь между атомами...................................27
          1.2.3. Многоатомные твердые тела.............................30
          1.2.4. Модель свободного электрона и энергетические зоны.....31
          1.2.5. Кристаллы.............................................33
          1.2.6. Периодичность кристаллических решеток.................34
          1.2.7. Электронная проводимость..............................37
       1.3. Эффекты нанометрового масштаба длин........................40
          1.3.1. Изменения полной энергии системы......................40
          1.3.2. Изменения структуры системы...........................41
               1.З.2.1. Вакансии в нанокристаллах......................42
               1.З.2.2. Дислокации в нанокристаллах....................44
          1.3.3. Как нанометровые размеры влияют на свойства...........45
               1.З.З.1. Структурные свойства...........................46
               1.З.З.2. Тепловые свойства .............................47
               1.З.З.З. Химические свойства............................48
               1.З.З.4. Механические свойства .........................49
               1.З.З.5. Магнитные свойства............................ 50
               1.З.З.6. Оптические свойства........................... 51
               1.З.З.7. Электронные свойства.......................... 52
               1.З.З.8. Биологические системы......................... 52

_1 Оглавление

        1.4. Технологии изготовления..........................................54
            1.4.1. Процессы «сверху вниз».....................................55
                 1.4.1.1. Измельчение ....................................... 55
                 1.4.1.2. Литография..........................................55
                 1.4.1.З. Механическая обработка ............................ 59
            1.4.2. Процессы «снизу вверх».....................................60
                 1.4.2.1. Методы осаждения из газовой фазы .................. 60
                 1.4.2.2. Плазменное осаждение............................... 63
                 1.4.2.З. МПЭ и МОГФЭ........................................ 65
                 1.4.2.4. Жидкофазные методики .............................. 69
                 1.4.2.5. Коллоидные методики................................ 69
                 1.4.2.6. Методы золь—гель................................... 71
                 1.4.2.7. Электроосаждение................................... 72
            1.4.3. Методы шаблонного роста наноматериалов.....................73
            1.4.4. Упорядочение наносистем....................................76
                 1.4.4.1. Самосборка и самоорганизация....................... 77
        1.5. Вопросы изготовления, безопасности и хранения....................79
        Литература............................................................80

    Глава 2
    ОБЩИЕ МЕТОДОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ: СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК......................................................82
        2.1. Общая классификация методов исследования.........................82
            2.1.1. Аналитические методы и способы визуализации................83
            2.1.2. Некоторые вопросы физики рассеяния.........................84
                 2.1.2.1. Рентгеновские лучи и их взаимодействие с веществом. 85
                 2.1.2.2. Электроны и их взаимодействие с веществом.......... 86
                 2.1.2.З. Нейтроны и их взаимодействие с веществом .......... 87
                 2.1.2.4. Ионы и их взаимодействие с веществом............... 87
                 2.1.2.5. Упругое рассеяние и дифракция...................... 87
        2.2. Методы микроскопии...............................................91
            2.2.1. Общие вопросы визуализации.................................91
            2.2.2. Увеличение изображения и разрешающая способность...........93
            2.2.3. Прочие вопросы визуализации................................95
            2.2.4. Оптическая микроскопия.....................................96
                 2.2.4.1. Сканирующая ближнеполевая оптическая микроскопия... 97
        2.3. Электронная микроскопия..........................................98
            2.3.1. Общие аспекты электронной оптики...........................98
            2.3.2. Получение электронного луча................................98
            2.3.3. Взаимодействие электронов с образцом.......................99
                 2.З.З.1. Вторичные электроны ............................... 99
                 2.З.З.2. Обратно рассеянные электроны...................... 100
                 2.З.З.З. Оже-электроны и рентгеновское излучение........... 101
            2.3.4. Сканирующаяэлектроннаямикроскопия........................ 101
                 2.З.4.1. Визуализация вторичных электронов................. 102
                 2.З.4.2. Визуализация электронов обратного рассеяния....... 104

Оглавление -*J   5

            2.3.4.3. Визуализация потенциального контраста............... 105
            2.3.4.4. Визуализация наведенного электронным пучком тока ... 105
            2.3.4.5. Визуализация магнитного контраста................... 105
            2.3.4.6. Сканирующая электронная микроскопия в нормальных условиях............................................... 105
       2.3.5. Просвечивающая электронная микроскопия..................... 106
            2.3.5.I. Дифракция электронов................................ 107
            2.3.5.2. Получение ПЭМ-изображения .......................... 109
       2.3.6. Сканирующаяпросвечивающаяэлектроннаямикроскопия....... 114
   2.4. Полевая ионная микроскопия....................................... 115
   2.5. Сканирующие зондовые методы...................................... 116
       2.5.1. Сканирующая туннельная микроскопия......................... 116
       2.5.2. Атомно-силоваямикроскопия.................................. 119
       2.5.3. Другие сканирующие зондовые методы......................... 124
   2.6. Дифракционные методы............................................. 125
       2.6.1. Объемные дифракционные методики............................ 125
       2.6.2. Дифракционные методы изучения поверхности.................. 129
   2.7. Методы спектроскопии............................................. 131
       2.7.1. Фотонная спектроскопия..................................... 133
            2.7.1.1. Оптические измерения ............................... 134
            2.7.1.2. Фотолюминесценция................................... 136
            2.7.I.3. Рамановская и ИК-спектроскопия...................... 136
            2.7.1.4. Рентгеновская спектроскопия......................... 139
       2.7.2. Радиочастотная спектроскопия............................... 140
       2.7.3. Электронная спектроскопия.................................. 143
            2.7.3.I. Излучение рентгеновских лучей в СЭМ и ПЭМ........... 144
            2.7.3.2. Катодолюминесценция в СЭМ и СПЭМ ................... 145
            2.7.3.3. Спектроскопия характерных потерь энергии электрона . 146
   2.8. Анализ поверхности и профиль глубины............................. 149
       2.8.1. Электроннаяспектроскопияповерхностей....................... 151
       2.8.2. Масс-спектрометрия поверхности............................. 154
       2.8.3. Ионно-пучковый анализ...................................... 157
       2.8.4. Рефлектометрия............................................. 158
   2.9. Обзор методов измерения физических свойств....................... 161
       2.9.1. Механические свойства...................................... 161
       2.9.2. Электрические свойства..................................... 164
       2.9.3. Магнитные свойства......................................... 166
       2.9.4. Термические свойства....................................... 167
   Литература............................................................ 168

Глава 3
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДЯЩИЕ НАНОСТРУКТУРЫ.............................. 170
   3.1. Введение......................................................... 170
   3.2. Краткое введение в физику полупроводников........................ 171
       3.2.1. Что такое полупроводник?................................... 171

_1 Оглавление

           3.2.2. Легирование......................................... 172
           3.2.3. Эффективная масса................................... 173
           3.2.4. Перенос и подвижность носителей и электрическая проводимость............................................... 173
           3.2.5. Оптические свойства полупроводников................. 175
           3.2.6. Экситоны............................................ 175
           3.2.7. р-п-переход......................................... 176
           3.2.8. Фононы!............................................. 177
           3.2.9. Типыполупроводников................................. 178
       3.3. Квантовые ограничения в полупроводящих наноструктурах..... 179
           3.3.1. Квантовые ограничения в одном измерении: квантовые ямы... 179
           3.3.2. Квантовые ограничения в двух измерениях: квантовые проволоки.................................................. 182
           3.3.3. Квантовые ограничения в трех измерениях: квантовые точки. 183
           3.3.4. Сверхрешетки........................................ 183
           3.3.5 Разрывы зон.......................................... 184
       3.4. Плотность электронных состояний........................... 185
       3.5. Методы изготовления....................................... 186
           3.5.1. Требования к идеальной полупроводниковой наноструктуре... 186
           3.5.2. Эпитаксиальное выращивание квантовых ям............. 187
           3.5.3. Литография и травление.............................. 188
           3.5.4. Выращивание на краю скола........................... 188
           3.5.5. Рост на вицинальных подложках....................... 189
           3.5.6. Деформационные точки и проволоки.................... 190
           3.5.7. Электрически наведенные точки и проволоки........... 191
           3.5.8. Квантовые ямы с флуктуациями........................ 192
           3.5.9. Термический отжиг квантовых ям...................... 192
          3.5.10. Полупроводниковые нанокристаллы..................... 193
          3.5.11. Коллоидные квантовые точки.......................... 193
          3.5.12. Методы самосборки................................... 193
          3.5.13. Резюме по методам изготовления.......................200
       3.6. Физические явления в полупроводниковых наноструктурах......200
           3.6.1. Модуляционное легирование............................200
           3.6.2. Квантовый эффект Холла...............................203
           3.6.3. Резонансное туннелирование...........................204
           3.6.4. Эффект зарядки ......................................207
           3.6.5. Баллистический перенос носителей.....................209
           3.6.6. Межзонное поглощение в полупроводящих наноструктурах.....211
           3.6.7. Внутризонное поглощение в полупроводящих наноструктурах .... 213
           3.6.8. Процессы светоизлучения в наноструктурах.............214
           3.6.9. Фононное горло в квантовых точках....................217
          3.6.10. Квантово-ограниченный эффект Штарка..................218
          3.6.11. Нелинейные эффекты...................................219
          3.6.12. Когерентность и процессы дефазировки.................220

Оглавление -*J   7

   3.7. Характеристики полупроводящих наноструктур................221
       3.7.1. Оптические и электрические исследования.............221
       3.7.2. Структурные исследования............................226
   3.8. Применение полупроводящих наноструктур....................228
       3.8.1. Инжекционные лазеры.................................228
       3.8.2. Квантовые каскадные лазеры..........................233
       3.8.3. Однофотонные источники..............................235
       3.8.4. Биологические метки.................................236
       3.8.5. Оптические запоминающие устройства..................236
       3.8.6. Влияние нанотехнологий на традиционную электронику..237
       3.8.7. Устройства на основе кулоновской блокады............243
       3.8.8. Фотонные структуры..................................244
   3.9. Итоги и перспективы.......................................247
   Литература.....................................................248

Глава 4
НАНОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА..............................250
   4.1. Магнетизм.................................................250
       4.1.1. Магнитостатика......................................250
       4.1.2. Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.........251
       4.1.3. Магнитная анизотропия...............................253
       4.1.4. Домены и доменные стенки............................256
       4.1.5. Процесс намагничивания..............................260
   4.2. Наномагнитные материалы...................................261
       4.2.1. Порошковые наномагниты..............................261
       4.2.2. Геометрические наномагниты..........................268
   4.3. Магнитосопротивление......................................270
       4.3.1. Магнитные вклады в сопротивление металлов...........270
       4.3.2. Гигантское магнитосопротивление.....................272
       4.3.3. Спиновые вентили....................................277
       4.3.4. Туннельное магнитосопротивление.....................279
   4.4. Зондовая техника наномагнитных материалов.................281
   4.5. Наномагнетизм в технике...................................283
   4.6. Новые вызовы для наномагнетизма...........................285
   Литература.....................................................286

Глава 5
ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ НАНОМАТЕРИАЛОВ...............288
   5.1. Введение..................................................288
       5.1.1. Классификация.......................................289
   5.2. Термодинамика и кинетика фазовых превращений..............290
       5.2.1. Термодинамика.......................................290
       5.2.2. Гомогенная нуклеация................................292

_1     Оглавление

           5.2.3. Гетерогенная нуклеация....................................295
           5.2.4. Рост......................................................296
           5.2.5. Полная скорость превращения...............................297
        5.3. Методы получения...............................................298
           5.3.1. Процесс быстрого отвержденияжидкости......................298
           5.3.2. Расстекловывание..........................................299
           5.3.3. Конденсация в инертном газе...............................301
                5.З.З.1. Факторы, влияющие на нуклеацию и рост наночастиц . 302
                5.3.3.2. Улучшение выхода, качества порошка, производительности. 304
           5.3.4. Электроосаждение..........................................304
                5.З.4.1. Импульсное электроосаждение....................... 305
                5.3.4.2. Ингибиторы роста.................................. 305
                5.3.4.3. Температура....................................... 305
                5.3.4.4. Кислотность (pH) электролита...................... 306
                5.3.4.5. Продукты.......................................... 306
           5.3.5. Механические методы.......................................306
                5.3.5.I. Механическое сплавление, или механический помол... 306
                5.3.5.2. Механохимическая обработка........................ 310
        5.4. Структура......................................................311
           5.4.1. Микроструктура............................................312
                5.4.1.1. Размер зерна и деформация матрицы ................ 312
                5.4.1.2. Измерение размера частицы......................... 313
           5.4.2. Структура границ зерен....................................313
           5.4.3. Структурная метастабильность..............................314
        5.5. Стабильность микроструктуры....................................314
           5.5.1. Диффузия..................................................315
           5.5.2. Рост зерна................................................316
           5.5.3. Пиннинг...................................................318
           5.5.4. Торможение движения границ зерен растворенным веществом........................................................319
        5.6. Консолидация порошков..........................................320
           5.6.1. Компактирование нанопорошков..............................321
           5.6.2. Спекание..................................................322
           5.6.3. Роль примесей.............................................323
           5.6.4. Пористость................................................325
           5.6.5. Нетрадиционные методы обработки...........................325
        5.7. Механические свойства..........................................327
           5.7.1. Жесткость и прочность.....................................328
           5.7.2. Пластичность и вязкость...................................329
           5.7.3. Ползучестьи суперпластичность.............................331
        5.8. Ферромагнитные свойства........................................332
           5.8.1. Фундаментальные магнитные свойства........................333
           5.8.2. Нанокомпозитные мягкие магнитные материалы................333
           5.8.3. Жесткие магнитные материалы...............................334
        5.9. Каталитические возможности.....................................335

Оглавление —J 9

   5.10. Настоящие и перспективные приложения наноматериалов.............335
       5.10.1. Поглотителиультрафиолета..................................335
       5.10.2. Магнитные приложения......................................336
       5.10.3. Покрытия..................................................337
    Литература...........................................................337

Глава 6
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРО-ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ...........................................339
    6.1. Основные понятия................................................339
       6.1.1. Твердое состояние: кристаллы и стекла......................339
       6.1.2. Химия углерода.............................................340
             6.1.2.1. Гибридизованные орбитали.......................... 340
             6.1.2.2. Бензольное кольцо................................. 342
             6.1.2.3 Сопряженные молекулы............................... 342
             6.1.2.4. Бакминстерфуллерен................................ 343
       6.1.3. Примеры органических полупроводников.......................343
       6.1.4. Возбуждения в органических полупроводниках.................344
             6.1.4.1. Поляроны и экситоны............................... 344
             6.1.4.2. Светоизлучение в органических молекулах........... 346
             6.1.4.З. Настройка запрещенной зоны ....................... 350
       6.1.5. Инжекция и перенос носителей заряда........................351
             6.1.5.1. Инжекция носителей заряда......................... 352
             6.1.5.2. Перенос носителей заряда: подвижность............. 354
             6.1.5.З. Перенос носителей заряда: пространственные заряды. 355
             6.1.5.4. Перенос носителей заряда: ловушки................. 356
       6.1.6. Полимеры или маленькие молекулы............................357
             6.1.6.1. Запрещенная зона сопряженных полимеров ........... 358
             6.1.6.2. Растворимость полимеров........................... 360
       6.1.7. Органические металлы? .....................................361
    6.2. Конструирование устройств.......................................362
       6.2.1. Синтетические металлы......................................363
             6.2.1.1. Растворы синтетических металлов .................. 363
             6.2.1.2. Применения синтетических металлов ................ 365
       6.2.2. Органические полевые транзисторы...........................365
             6.2.2.1. Принцип работы FET................................ 366
             6.2.2.2. Количественное описание работы FET................ 367
             6.2.2.3. Требования к материалам OFET...................... 368
             6.2.2.4. Интегральные схемы на базе OFET .................. 372
       6.2.3. Светоизлучающие устройства на основе органических соединений.......................................................374
             6.2.З.1. Краткий обзор явления............................. 374
             6.2.3.2. Биполярная инжекция носителей .................... 375
             6.2.3.3. Образование экситона.............................. 378
             6.2.3.4. Оптимизация ОСИД с целью повышения их эффективности ............................................. 379

¹⁰ -V

Оглавление

        6.2.4. Органическая фотоэлектроника.........................383
            6.2.4.1. Устройство фотодиодов......................... 383
            6.2.4.2. Органические диоды на объемном гетеропереходе. 385
    6.3. Углеродные нанотрубки......................................387
        6.3.1. Структура............................................387
        6.3.2. Синтез...............................................389
        6.3.3. Электронные свойства.................................390
        6.3.4. Колебательные свойства...............................393
        6.3.5. Механические свойства................................394
        6.3.6. Применение...........................................395
            6.З.6.1. Транзисторы на основе углеродных нанотрубок... 395
            6.3.6.2. Автоэлектронная эмиссия....................... 396
            6.З.6.З. Механическое упрочнение....................... 397
            6.3.6.4. Топливные элементы............................ 397
    Приложение......................................................398
    Литература......................................................406

Глава 7
САМОСОБИРАЮЩИЕСЯ МЯГКИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И УСТРОЙСТВА ИЗ НИХ.................................................407
    7.1. Введение...................................................407
    7.2. Строительные блоки.........................................408
        7.2.1. Синтетические........................................408
        7.2.2. Биологические........................................410
    7.3. Принципы самосборки........................................413
        7.3.1. Нековалентные взаимодействия.........................414
        7.3.2. Межмолекулярная упаковка.............................416
        7.3.3. Биологическая самосборка.............................419
        7.3.4. Наномоторы...........................................422
    7.4. Самосборка как метод получения и структурирования наночастиц.....................................................423
        7.4.1. Наночастицы, получаемые при мицеллярной и везикулярной полимеризации ..............................................423
        7.4.2. Функционализированные наночастицы....................424
        7.4.3. Кристаллы коллоидных наночастиц......................425
        7.4.4. Самоорганизация неорганических наночастиц............428
        7.4.5. Жидкокристаллические нанокапли.......................431
        7.4.6. Бионаночастицы ......................................432
        7.4.7. Нанообъекты..........................................433
    7.5. Наноструктуры, получаемые по шаблону.......................434
        7.5.1. Мезопористые кремнеземы..............................434
        7.5.2. Биоминерализация.....................................435
        7.5.3. Наноструктуры, самособирающиеся по шаблонам из триблок-сополимеров......................................437