Общественный и научный интерес к наноструктурам непосредственно обусловлен тем, что они считаются основой абсолютно всех современных устройств и приборов электроники, оптоинформатики и фотоники.
Рисунок 1. Модель углеродного слоя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Наноструктуры – это микроскопические объекты, которые построены из определенных молекул и обладают строго упорядоченной структурой.
Данные физические элементы широко применяются в обычной жизни; достаточно вспомнить бытовую технику, видео и аудио системы, гаджеты и компьютеры, а также в большинстве сфер человеческой деятельности, начиная от изготовления различной продукции и завершая образованием и медициной.
Нанотехнологии включают в себя масштабное производство использование таких систем:
- химических;
- физических;
- биологических.
Указанные концепции применяются с объемами от единичных молекул до субмикронных размеров, а также больших интегрированных концепций, которые формируются посредством наноструктур.
Классификация наноструктур
Рисунок 2. Классификации наноматериалов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Наноструктуры на сегодняшний день классифицируют по таким критериям:
- морфологии;
- размерности;
- взаимному пространственному расположению основных структурных элементов.
По размерности микроскопические объекты подразделяют на нульмерные кластеры и наночастицы, одномерные волоконные, двумерные плёночные или многослойные, а также трёхмерные поликристаллические элементы.
По агрегатному состоянию наноструктуры исследователи делят на аморфные, твердотельные и коллоидные. Также по фазовому составу микрочастицы могут быть одно или многофазными, органическими и неорганическими, включая полимерные системы.
По происхождению наноструктуры в основном разделяют на природные, искусственные и биологические. Исследуемые вещества обладают различной морфологией и включают в характеристики порошка карбида ванадия, квантовую гетероструктуру с горизонтальными поверхностями из смешанного алюминия и оксида галлия.
Свойства всех материалов в нанометровом масштабе всегда в значительной степени отличаются от свойств предметов большого размера (объемных изделий). Когда размер и форма материала уменьшается, то изначально его характеристики не меняются, затем при увеличении данного параметра возникают незначительные преобразования свойств.
Существуют еще, как минимум, три простых нанообъекта, которые привлекают внимание разработчиков и исследователей и раз. Речь идет о фуллеренах, графене и углеродных нанотрубках.
Фуллерены или бакиболы — молекулярные стабильные соединения, которые принадлежат классу аллотропных вид углерода (другие формы — карбин, алмаз и графит) и представляют собой замкнутые выпуклые многогранники, составленные из конкретного числа координированных атомов химических элементов.
Морфология наноструктуры напрямую зависит от их состава, кристаллических свойств и метода получения энергии. Существующие способы синтеза помогаю получать микроскопические объекты с элементами игольчатой сферической стержневой и трубчатой форм.
Так, например, наноструктуры обычного порошка карбида ванадия считаются совокупностью поликристаллов в форме искривленных лепестков – дисков диаметром примерно 400–500 нм и толщиной не менее 15–20 нм.
В квантовой гетероструктуре смешанный и хаотичный оксид галлия и алюминия выступает в качестве вертикальной поверхности, высота которой примерно 15–16 нм. Элементы оксида ванадия обладают диаметром 70–80 нм, а аэрогель из оксида галлия состоит из волокон размером 15–20 нм с расстоянием между частицами от 10 до 400 нм.
Полупроводниковые нульмерные, одномерные и двумерные наноструктуры в физике называют квантовыми проволоками или точками, которые предполагают, что в таких системах в результате действия разных эффектов размерного квантования изначальный электронный энергетический спектр расщепляется и превращается под влиянием непрерывного к дискретному.
Рисунок 3. Квантовые элементы кремния. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Это явление позволяет управлять фундаментальными параметрами полупроводников (эффективной массой, шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей положительного заряда).
Предельный случай размерного квантования возможно получить в квантовой точке – частице рабочего вещества (материала) с форматом, близким к длине электромагнитной волны в данном объекта, внутри которого внутренняя энергия электрона значительно ниже, чем за её пределами, благодаря чему движение частиц ограничено во всех трёх измерениях.
История исследования наноструктур
Исследования наноструктур стартовали официально в 1970–80-х гг. в материаловедении и в физике ультратонких полупроводниковых гетероструктур. Впервые полноценную концепцию наноструктуры твёрдого материального тела в 1982–84 предложил, а затем сформулировал и детально описал немецкий физик-теоретик Г. Гляйтер.
Квантовые линии и точки в виде микрокристаллов, диспергированных в силикатном стекле, открыты в 1982 российскими исследователями А. И. Екимовым и А. А. Онущенко; объяснение наблюдаемых в них эффектов размерного квантования дано учеными Ал. Л. и А. Л. Эфросами. Независимо квантовые точки в коллоидных растворах сульфида свинца обнаружил американский химик Л. Ю. Брюс в 1984–85. Термин «quantum dot» («квантовая точка») впервые предложил английский изобретатель М. Рид в 1988.
С 1992 различными методами получают неуглеродные нанотрубки на базе оксидов, сульфидов нитридов и других неорганических соединений. В 1996 Х. Крото, Р. Кёрлу и Р. Смолли за открытие фуллеренов была присуждена Нобелевская премия по химии.
Малые атомные агрегации представляют собой промежуточное звено между изолированными молекулами и атомами, с одной стороны, и массивным твердым телом – с другой. Переход от свойств изолированных наночастиц к характеристикам объёмных кристаллических веществ в течение многих десятилетий оставался неизученным учеными так как на то время отсутствовало необходимое промежуточное в виде компактного материального тела с универсальными зернами – кристаллитами. Только в 1980-х гг., когда появились современные способы получения более компактных наноструктур, стартовало активное исследование данной проблемы. Однако вопрос о том, с какой скоростью нарастает и на каком этапе соединения атомов завершается правильное формирование того или иного свойства массивного кристалла, до сих пор остается не решенным. Окончательно не ясно, как могут быть разделены вклады поверхностных и объемных физических в свойства наноструктурирования микроскопических предметов.
Применение наноструктур
Наиболее широко наноструктуры применяются в электронной технике и в катализе на малых частицах. Использование полупроводниковых гетеронаноструктур также обеспечивает важную миниатюризацию сложных электронных приборов с выходом на наноразмерные частицы для разработки уникальных процессоров нового поколения. Размер существующих на сегодняшний день транзисторов достиг предельной минимальной величины, которая наиболее доступна для современной техники. Дальнейшее уменьшение микроскопических объектов возможно получить посредством использования нанотехнологий.
Квантовые точки и ямы на данный момент успешно используются для создания мощных лазеров. Разветвленные углеродные нанотрубки отлично работают в электронике как транзисторы и их основные элементы. Графен в перспективе может полностью заменить кремний в интегральных микросхемах; благодаря сверхвысокой подвижности носителей положительного заряда данный элемент возможно применять в электронике как проводящий материал, а также в производстве сенсорных экранов и популярных жидкокристаллических дисплеев. Магнитные наноструктуры могут использоваться как точные детекторы магнитного поля.
