Число атомов в молекуле углерода может быть существенно больше 60-ти. Например, могут быть получены молекулы С>1000000, представляющие собой одностенные трубки с диаметром 1.1 nm и длиной в несколько десятков микрон (рис.8). Такие трубки были обнаружены как побочные продукты синтеза фулеренов С60. Одностенная углеродная нанотрубка представляет собой свёрнутую в виде цилиндра ленту с упаковкой атомов по типу графита. Как оказалось, на базе нанотрубок получаются наноматериалы с существенно различными, зачастую уникальными свойствами. Благодаря разнообразию присадок, число вариантов фуллереновых материалов (полупроводников, металлов, ферромагнетиков, полимеров) исчисляется тысячами, поэтому фуллереновые и фуллеритовые соединения могут считаться строительными трёхмерными наноблоками. Зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров были предсказаны на основе квантово-химических расчётов их зонной структуры. Эти зависимости были экспериментально подтверждены в 1998 г.

Группа ученых под руководством Ши-Тон Ли (Shuit-Tong Lee) получила нановолокно диаметром 1,3 нанометра, используя методику выращивания с помощью оксида. С его помощью удалось получить нановолокно, диаметр которого варьировался от нескольких нанометров до десятков нанометров. Получившееся с помощью данного метода волокно состояло из монокристаллической кремниевой сердцевины и оксидной оболочки размером примерно в одну треть диаметра. Для получения нановолокна, устойчивого к окислению, исследователи удалили оксидное покрытие и ограничили рост поверхности волокна с помощью водорода.

Для определения ширины запрещенной зоны нановолокна использовалась сканирующая туннельная спектроскопия. Обнаружилось, что ширина зоны растет с уменьшением диаметра волокна - от 1,1 эВ при диаметре 7 нанометров до 3,5 эВ при диаметре 1,3 нанометра. Это согласуется с существующими теоретическими моделями и служит экспериментальным подтверждением влияния квантовомеханических эффектов на плотность электронных состояний в кремниевых нановолокнах. Ученые планируют использовать новый наноматериал в светодиодах и лазерах.

Углерод является не единственным материалом для нановолокон и нанотрубок. Уже получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния.

В качестве примера можно привести создание сверхпроводящего перехода на фуллеритах в 2001 году. (Рис.9).

Новый рекорд Тс (117К) для фуллеритов

Новый рекорд критической температуры сверхпроводящего перехода в фуллеритах установлен в Bell Labs.: расширяя решетку С60 введением CHBr3 в монокристаллы и инжектируя носители через полевой электрод, удалось получить Тс=117К (длина когерентности составила два межмолекулярных расстояния) для концентрации носителей 3-3.5 на молекулу С60. В другом кристалле - CHCl3/C60, при инжекции носителей с той же концентрацией достигнута Тс=80К. Измеренные параметры решеток составили 14.45Å и 14.29Å, соответственно.

Зависимости электрических свойств нанотрубок от геометрических параметров были предсказаны на основе квантово-химических расчётов их зонной структуры и экспериментально подтверждены в 1998 г. На основе нанотрубок можно строить электронные компоненты, механические приводы, шестерёнки и т. п. изделия, предсказанные с помощью методов молекулярного моделирования. В качестве зубьев шестерёнок могут быть использованы бензольные кольца (рис.10), "приделанные" к углеродным нанотрубкам. Механические приводы подобного рода обладают достаточной прочностью и прекрасно работают при частоте 1011 оборотов в секунду. Помимо двигателей в литературе описаны молекулярные насосы.

Зонд является устройством считывания информации из атомной памяти. Он состоит из нанотрубки, на конец которой насажен фулерен, соединённый с молекулой пиридина. Органическая молекула пиридина имеет вид шестиугольного бензольного кольца, на одну из вершин которого "прикреплён" атом азота. Такой зонд "осматривает" поверхность алмазоподобной подложки. На этой подложке записана информация. Алмазоподобная подложка сама по себе обычно покрыта слоем атомов водорода. Часть этих атомов может быть" искусственно" заменена атомами фтора, что и означает запись информации. Взаимодействия пиридина с водородом и фтором настолько различаются, что эта разница без труда фиксируется туннельным микроскопом. Сканируя поверхность, СТМ считывает записанные предикаты. Отсюда видна необходимость многозондовой системы сканирования. Средства массовой информации сообщали в 2000 г. об экспериментальном образце, состоящем из 1024 зондов. Если группы зондов расположить, например, на расстояниях в два периода решётки кремния друг от друга (1 нм), то на чипе удастся разместить память объёмом в несколько терабайт.

Таким образом, нанотрубки, из которых можно строить зонды для СТМ, а также электронные компоненты, имеют шансы стать материалами будущего.

Из сказанного следует, что фундаментальная задача нанотехнологии - создание нанотрубок "бесконечной" длины. Из таких трубок можно изготавливать:

- лёгкие композитные материалы предельной прочности для техники будущего (несущие конструкции летательных аппаратов, силовые блоки двигателей с предельно малым потреблением топлива, силовые элементы мостов и строений и т. д.);

- высокопроводящие кабели и проводники различного рода.

Предстоит создать индустрию для массового производства нанотрубок достаточной длины.

4.4. Органические соединения и полимеры. Биологические наноматериалы.

Наночастицы можно получить из больших органических молекул различных типов, а так же из полимеров. В частности, нанокристаллы были получены на основе молекул антрацена, нафталина, перилена и полидиацетилена. Последние образуют не только нанокристаллы, но и нановолокна длиной около 7 мкм и диаметром 60 нм. К проводящим нанополимерным материалам относятся полиацетилен и полианилин. При определенных условиях отдельные полимеры могут самосборкой образовывать сополимеры. Некоторые образцы наноструктур, созданных из сополимеров – волосатые наносферы, звездообразные полимеры и полимерные щетки показаны на рисунке 11. Волосатые наносферы нашли практическое применение для удаления из воды органических примесей, звездообразные полимеры позволяют улучшить механические свойства пластмасс, полимерные щетки эффективны при диспергировании латекса и пигментных частиц краски.

На основе органических молекул в настоящее время созданы молекулярные и супрамолекулярные переключатели, которые могут быть использованы в устройствах хранения информации и логических элементах двоичной системы. Так, молекула, которая может находиться в двух различных состояниях и обратимо переводиться из одного в другое внешними воздействиями (свет, электрический сигнал) может быть использована для запоминания информации.

Многие биологические материалы имеют наноразмеры. Это вирусы, белки, молекулы ДНК,

Биологические датчики (биодатчики) представляют собой сочетание разнообразных биологических материалов, способных различать молекулы биологических тел (к числу таких материалов можно отнести ферменты, микроорганизмы, антигены и антитела, лигандовые рецепторы, пробы DNA, RNA и DNA и т. д.), с физико-химическими устройствами. Такие датчики предназначены для измерения микрообъемов. Они уже широко используются для обработки клинических анализов, в технологических процессах, экологических измерениях и т. д., однако, в этой области ведутся активные исследования, направленные на значительное повышение чувствительности датчиков, расширение диапазона объектов измерений, уменьшение габаритов и т. д.

Органические нелинейные оптоэлектронные элементы. Органические нелинейные оптоэлектронные элементы характеризуются изменением коэффициента рефракции в зависимости от интенсивности падающего светового луча. Благодаря этому свойству они могут с успехом использоваться в области передачи информации в качестве таких устройств, как оптический переключатель полного светового потока и оптический модулятор, обладающих сверхвысоким быстродействием и низким потреблением энергии. Отличные характеристики новых оптических элементов могут произвести настоящую революцию в данной области. Кроме того, благодаря свойству усиления светового потока, органические нелинейные оптоэлектронные элементы могут стать базовыми элементами оптических ЭВМ, намного превосходящих по своим возможностям современные компьютеры на полупроводниковых элементах. Предполагается, что самыми подходящими материалами для изготовления новых оптоэлектронных элементов станут сложные вещества, содержащие калий, титан, фосфор, ниобат натрия и т. д.

4.5. Элементная база наноэлектроники и компьютеров следующих поколений

Элементная база наноэлектроники включает большое количество различных объектов, в том числе:

- Квантовые нити как суперпроводящие устройства с поперечным квантованием и как генераторы субмиллиметрового диапазона волн.

- Нанотранзисторы.

- Запоминающие энергонезависимые наноэлектронные устройства на снове квантовых точек для терабитной памяти.

- Нейроструктуры для нанокомпьютеров.

- Изделия наноэлектронной техники на основе новых материалов (карбида вольфрама, борида вольфрама, карбида бора, нитрида бора) для работы при температуре 2000 - 3000 град. С и в условиях ядерного взрыва.

- Высокотемпературные усилители, генераторы и логические устройства для съёма информации с первичных датчиков с частотным диапазоном до нескольких тераГерц.

- Моделирование технологии и архитектуры нанокомпьютеров.

Нанооптические электрически перестраиваемые генераторы когерентного лазерного излучения для применений:

- в приборах для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ ("СуперНос"),

- в плоских экранах на основе карбидов,

- в устройствах дисплейной техники,

- в наноиндустрии при производстве новых материалов методами селективного катализа (проведением управляемых химических реакций).

Высокоэффективные источники когерентного лазерного излучения для использования в нанопроизводствах и антенных решетках нового поколения.

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