Общие сведения о нанотехнологиях

Нанотехнологии – это совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомарном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой. Нанотехнологии обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Принципиально новые свойства наноматериалов связаны, в первую очередь, с квантованием энергетического спектра квазичастиц в нанообъектах и структурах пониженной размерности, что наиболее ярко проявляется в фундаментальном изменении свойств полупроводников, магнетиков, органических и углеродных материалов, молекулярных ансамблей. Основной причиной изменения свойств является то, что на этом размерном уровне начинает уже проявляться действие законов квантовой механики, т. е. уровень наноразмеров – это уровень перехода от классической механики к механике квантовой.

Для определения границы, при которой начинают проявляться новые свойства объекта измерения, вводится т. н. критический размер d*. Эта величина зависит от того, какое свойство объекта измеряется в эксперименте и какая геометрическая величина определяет данной свойство – длина свободного пробега электронов в металлах или полупроводниках, длина диффузии примесных атомов в полупроводниках, длина волны де Бройля электронов или глубина проникновения электромагнитного поля в приповерхностный слой объекта и т. д.

Оценки показывают, что при всем многообразии явлений, происходящих в органических и неорганических материалах, критический размер d* лежит примерно в интервале от 1 до 100 нм. Оценим, например, длину волны де Бройля λ_DB электронов в полупроводнике:

где h – постоянная Планка, p – квазиимпульс электрона в кристалле, m^* – эффективная масса электрона, v – дрейфовая скорость. Учитывая, что типичные значения эффективной массы электронов в полупроводниках находятся в диапазоне от 0,1m_e до m_e (m_e ­– масса свободного электрона), длины волн де Бройля имеют значения от 3 до 30 нм. Именно поэтому квантово-размерные эффекты для электронов в полупроводниках проявляются при размерах объектов от 1 до 100 нм.

Кардинальное изменение свойств наноматериалов по сравнению к объемными материалами, имеющими тот же химический состав, объясняется эффектами резкого увеличения доли поверхности наночастиц, образующих наноматериал. При уменьшении размеров наночастиц изменяется процентное соотношение между поверхностными атомами и атомами в объеме. В результате этого влияние поверхностных атомов на свойства объекта становятся определяющим. На рис. 1.1а представлена зависимость общей площади поверхности объекта, состоящего из множества частиц от размера этих частиц, на рис. 1.1б – аналогичная зависимость для количества атомов, находящихся на поверхности частиц. Видно, что при уменьшении размеров частиц, начиная примерно с величины порядка 100 нм, общая площадь и количество атомов на поверхности резко возрастают.

а) б)

Рис. 1.1. Зависимость общей площади поверхности объекта (а) и числа атомов на его поверхности (б) от размера частиц, составляющих данный объект

К поверхностным явлениям, как известно, относятся поверхностное натяжение, поверхностная активность, капиллярные явления, смачивание, адсорбция и т. д. Основная физическая причина, объясняющая суть этих явлений, заключатся в том, что взаимодействие между поверхностными атомами и атомами в объеме различно. Атомы на поверхности объекта или на поверхности частиц, из которых состоит объект, находятся в особых условиях. Cилы, действующие на поверхностные атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, являются «односторонними», т. е. на поверхностные атомы оказывают влияние только соседние атомы из приповерхностного слоя, в то время, как на атомы в объеме силы действуют со всех сторон. Поэтому и свойства поверхностных атомов отличаются от свойств этих же атомов в объеме. Отсюда и проявление новых свойств, таких как температура плавления, электропроводность, область прозрачности, магнетизм.

В объектах, имеющих макроскопические размеры, основные физические и химические свойства не зависят от размеров. Для нанобъектов эти же свойства могут сильно изменяться. Это касается структурных и фазовых превращений, процессов намагничивания, явлений теплопроводности и электропроводности, оптических явлений и т. д. При этом изменяются практически все основные характеристики вещества такие, как параметры кристаллической решетки, подвижность носителей заряда, спектр оптического поглощения, температура плавления и т. д. Например, уменьшение размеров наночастиц до величины порядка 10 нм приводит к снижению температуры плавления T_пл на десятки процентов. Экспериментально данный эффект наблюдали у многих металлов, в частности, у Al, Ag, Au, Сu, Ga, In, Sn и др.). В качестве примера на рис. 1.2 показана зависимость T_пл наночастиц золота Au и сульфида кадмия CdS от их размеров (пунктиром отмечена T_пл для объемных объектов).

Рис. 1.2. Зависимость температуры плавления T_пл золота (Au) и сульфида кадмия (CdS)

от размеров наночастиц