1 - осциллирующий характер изменения свойств, 

2 - рост характеристики с насыщением, 

3 - рост характеристики с максимумом. 

Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества. 

Рассматривая любой процесс переноса (протекание электрического тока, теплопроводность, пластическую деформацию и т. п.), мы приписываем носителям некоторую эффективную длину свободного пробега Rf. При R >> Rf рассеяние (или захват и гибель) носителей происходит в объеме и слабо зависит от геометрии объекта. При R < Rf ситуация радикально меняется и все характеристики переноса начинают сильно зависеть от размеров образца. 

3.2. Квантовые эффекты

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Квантовое ограничение.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой L, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны. На рис. 4 такая ситуация проиллюстрирована на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры сечения a и b. В этих направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Разрешенные значения волнового вектора для одного направления задаются соотношением k=2π/ λn=nπ/L (n = 1, 2, 3,...), где L в соответствии с рис. 4 может принимать значения, равные a или b. Для соответствующих им электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же шнура могут двигаться электроны с любой энергией.

Рис. 2. Возможности для движения электронов в квантовоограниченной наноразмерной структуре.

Запирание электрона с эффективной массой m*, по крайней мере в одном из направлений, в соответствии с принципом неопределенности приводит к увеличению его импульса. Соответственно увеличивается и кинетическая энергия электрона. Таким образом, квантовое ограничение сопровождается как увеличением минимальной энергии запертого электрона, так и дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны.

Интерференционные эффекты.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Туннелирование.

Уникальным свойством квантовых частиц, в том числе и электронов, является их способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Это было названо туннелированием. Схематически оно представлено на рис. 5. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако как волна он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду.

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Рис. 5. Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный барьер высотой U, U > E.

Другим специфическим проявлением квантового ограничения является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады (рис. 6).

Чтобы объяснить этот термин, рассмотрим иллюстрируемый рис. 6 пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл.

Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь.

Рис. 6. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады.

Таким образом, перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако следует подчеркнуть, что ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются и сегодня.

4. Наноматериалы и наноприборы

4.1. Объемные наноструктурированные материалы

В последние десятилетия интерес к сверхмелкозернистым объемным и дисперсным материалам резко возрос, так как обнаружилось, что уменьшение размеров структурных элементов приводит к заметному изменению свойств материалов. Такие эффекты проявляются при размерах зерен менее 100 нм, а наиболее существенны они при размерах зерен порядка 10 нм.

Получение сверхмелкодисперсных порошков металлов, сплавов и соединений известно достаточно давно. Существует и достаточно много методов их синтеза.

Первым методом получения дисперсных наночастиц был метод осаждения из коллоидных растворов. Так, получение и оптические свойства коллоидных растворов золота было описано Фарадеем в 1857 году. И в настоящее время получение дисперсных порошков из коллоидных растворов достаточно распространено.

Газофазный синтез основан на конденсации материала из газовой фазы. Например, испаряемый термически металл попадает в газовую фазу (инертный газ), где и происходит образование кластеров – наночастиц. В зависимости от давления газа и условий в реакторе можно получать порошки с размерами зерен от 2 до 100 нм.

Одним их самых распространенных методов является плазмохимический синтез, применяемый широко для получения порошков нитридов, карбидов, боридов и оксидов металлов в дуговом разряде. Этот метод применяется и для получения фуллеренов путем электродугового распыления графита в среде инертного газа. В получаемом продукте – саже содержится до 10% смеси фуллеренов, содержащих 70 и 60 атомов углерода.

Термическое разложение сложных металлоорганичесчких соединений в той или иной газовой среде так де позволяет получать порошки металлов и их соединений с наноразмерами.

Механический и механохимический синтез связан с размолом порошков в специальных мельницах.

Среди других методов следует отметить детонационный синтез. В ударной волне, например, получают нанокристаллические алмазные порошки со средним диаметром частиц порядка 4 нм. Существуют так же процессы синтеза высокодисперсных оксидов в жидких металлах, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, основанный на реакции горения и др.

Большой практический интерес представляют компактные нанокристаллические материалы, применяемые и имеющие очень большие перспективы применения в машиностроение и других областях техники. Наиболее распространенными методами их получения являются традиционные методы порошковой технологии, т. е. различные методы прессования и спекания применительно к нанопорошкам. Используются методы динамического прессования, магнитно-импульсный метод, ультразвуковое прессование, кристаллизация аморфных сплавов, интенсивная пластическая деформация и др.

Одним из важных применений нанодисперсных частиц является катализ. Многочисленные исследования в этой области показали, что эффективность катализатора очень сильно зависит от размеров частиц и проявляется в очень узком диапазоне размеров. Например, родиевые катализаторы катализируют реакцию гидрирования бензола только при арзмерах частиц 1,5 – 1,8 нм, что соответствует частице, содержащей 12 атомов родия.

4.2. Тонкие пленки, приповерхностные слои, гетероструктуры.

4.3. Углеродные наноструктуры и наноматериалы

В 1985 г. были открыты фулерены. Основные авторы этого открытия (Н. Kroto, R. Curl, R. Smalley) в 1995 г. стали Нобелевскими лауреатами. Фулерены - это разновидность молекулы углерода (C60), состоящая из 60 атомов, расположенных на сфере (рис.7).

Молекулы C60 названы "букминстерфулеренами" в честь архитектора – авангардиста, философа и поэта Букминстера Фуллера (R. Buckminster Fuller). Их шарообразное строение напоминает футбольный мяч. Молекулы C60 могут образовывать кристаллы так называемых фуллеритов с гранецентрированной кубической решёткой и достаточно слабыми межмолякулярными связями. Межатомные полости фуллеритов могут заполняться посторонними атомами (щёлочных металлов, этиленом и др.).

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9