Современное развитие нанотехнологии

Содержание
ВВЕДЕНИЕ

1 ОСНОВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. НАНОЧАСТИЦЫ. НАНОМАТЕРИАЛЫ.
1.1 Приоритетные направления нанотехнологии и основные тенденции развития.
1.2 Подходы нанотехнологии. «Сверху-вниз», «снизу-вверх». Принципы манипуляции атомами и молекулами
2 МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ. ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ.
2.1 Сканирующая зондовая микроскопия. Основные принципы (СЗМ).
2.2 Электронная микроскопия. Оптическая микроскопия.
3 НАНОТЕХНОЛОГИЯ И НАНОМЕТРОЛОГИЯ

3.1 Метрологическое обеспечение, стандартизация и оценка соответствия нанотехнологий и нанопродукции.

3.2 Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазонах и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию.
ОСНОВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. ИСТОРИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. НАНОЧАСТИЦЫ. НАНОМАТЕРИАЛЫ.

В последнее время в наше сознание быстро вошло модное и короткое слово «нано» с большим потенциалом. Прогресс естественных и инженерных наук привел к началу XXI века рождение новой научно-технической отрасли, получившей название «нанотехнология». В настоящее время нанотехнология превратилась из научного лозунга о перспективах в индустриальное стратегическое направление, которое в ближайшем будущем определит лиде- ров мирового экономического роста.
Мировым сообществом ученых развитие нанотехнологий признано самым перспективным направлением XXI века. Сформировалась новая индустриальная область нанонаука, рассматриваемая как совокупность знаний о фундаментальных свойствах вещества в нанометровом масштабе. Ее результаты реализуются в нанотехнологии путем создания новых материа- лов, функциональных структур и устройств, использующих атомные, молекулярные и нано- метровые уровни.
Приставка нано - (от греческого NANNOS - карлик, гном) означает одну миллиардную (10 -9) долю чего-либо. Один нанометр (сокращенно 1 нм) равен 1/100000000000 метра или — это ряд всего из десяти атомов водорода. Чтобы человек представил этот масштаб, приведены примеры, что, толщина человеческого волоса составляет примерно 50000 нанометров, клетка бактерии измеряется несколькими сотнями нанометров, а наименьшие элементы в микрочипах электроники составляют 130 нанометров. Нанотехнология имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых порядка миллиардных долей метра. Хотя слово нанотехнология является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы.
Прогнозируемый вклад нанотехнологии в развитие человечества до 2025 года станет сравнимым с влиянием информационных технологий.
Таким образом, нанотехнология — это совокупность методов производства веществ с заданной атомарной структурой путем манипуляции с самыми маленькими физическими субстанциями — атомами и молекулами.
Первооткрывателем нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. Именно он впервые использовал слово «атом» для описания самой малой частицы вещества.
В начале XX века знаменитый физик А.Эйнштейн доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
Немецкие физики М.Кнолл и Э.Руска в начале 1930 годов прошлого столетия создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать наноструктуры.
1959 году американский физик Р.Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов.
В конце 60-х годов XX века научные сотрудники американской компании Белл (Bell), Альфред Чо и Дж. Артур, разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.
Японский физик Н.Танигучи в 1974 ввел в научный оборот слово «нанотехника», предложив называть так механизмы размером менее одного микрона.
В 1981 году, лауреаты Нобелевской премии, немецкие физики Г.Биннинг и Г.Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп — прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
В середине 80-х годов прошлого столетия американские физики Р.Кэрл, Х.Крото и Р.Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр. Создан атомно-силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только производящими.
Американский футуролог Э.Дрекслер издал книгу для широкой публики об активном развитии нанотехнологии в жизнедеятельности человека.
В конце прошлого столетия Д.Эйглер, сотрудник компании IBM (США), выложил название своей фирмы атомами ксенона. А голландский физик С.Деккер создал нанотранзистор.
Основным определением нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустроиств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
Нанотехнологий— совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов". Нанотехнологии: любые технологии создания объектов, потребительские свойства которых определяются необходимостью контроля и манипулирования отдельными наноразмерными объектами. Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок.Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин.
Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:
• наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
• нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
• наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
С другой стороны, объектами нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо, создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты. В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям. При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств. Большое распространение получили такие термины с приставкой «нано», как «нанотехнология», «наноматериалы», «наносистема».
Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.
Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерных, синергетически-кооперативных, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.
Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.
Наносистемотехника – совокупность методов моделирования, проектирования и конструирования изделий различного функционального назначения, в том числе наноматериалов, микро- и наносистем с широким использованием квантово-размерных, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, проявляющихся в условиях материальных объектов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.
Наночастицы (нанопорошки) – это малоразмерные твердые вещества, геометрический размер которых изменяется от десятых долей до 100 нм. Понятия «наночастицы» и «нанопорошки» во многом перекрываются, но, конечно, следует иметь в виду возможный изолированный характер первых и обязательно совокупный вид последних (порошок - это совокупность находящихся в соприкосновении индивидуальных твердых частиц небольших размеров (от 0,001 до 103 мкм)).
Считается, что наночастицы с уменьшением размера переходят в кластеры, содержащие от 10 до нескольких тысяч атомов (по разным данным, примерно до 2000 - 10 000). Полагают также, что для кластеров, в отличие от кристаллических частиц, характерна потеря трансляционной симметрии. К наночастицам сейчас относят и полупроводниковые квантовые точки, и полимерные дендримеры. .Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000(свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Далее перечислены лишь некоторые из приоритетных направлений нанотехнологии, разрабатывающих новые перспективные методы, материалы и устройства:
• молекулярный дизайн материалов и веществ с заданными свойствами, значительно превосходящими свойства их современных аналогов;
• нанопроцессоры с низким уровнем энергопотребления и существенно более высокой производительностью;
• небольшие по размеру запоминающие устройства с огромным (мультитерабитным) объемом памяти;
• новые лекарственные препараты и методы их введения в организм (проблемы сверхмалых доз и их адресной доставки);
• новые методы мониторинга окружающей среды и организма человека с использованием наносенсоров.
Среди наноматериалов можно выделить несколько основных разновидностей: консолидированные материалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы и супрамолекулярные структуры.
К консолидированным наноматериалам относят компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.
Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть как в изолированном, так и частично в консолидированном состоянии, образуя также гибридные (смешанные) материалы.
Нанопористые материалы характеризуются размером пор менее 100 нм.
Фуллерены и тубулярные наноструктуры стали предметом многочисленных исследований, начиная с 1985 г., когда была идентифициро-
вана новая аллотропная форма углерода - кластеры С60 и С70, названные фуллеренами (работы нобелевских лауреатов Н.Крото, Р.Керлу и Р.Смолли), и особенно с 1991 г., когда японский ученый С.Ишима обнаружил углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита. Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Отметим, что объекты типа фуллеренов и нанотрубок наблюдались и ранее.
Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему как только решат проблему формирования запрещённой зоны в этом полуметалле, обсуждают графен как перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой
Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. "Сырьем" являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен "индивидуальный" подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как "бездефектные" материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами.
С начала XXI века в мире поняли перспективу нанотехнологии и правительства разных стран начали активно инвестировать развитие нанотехнологии. Так, например, Германия с 2004 года инвестировала на научные изыскания в области нанотехнологий свыше 300 миллионов евро. Финансовые затраты США, Японии и России еще выше. Так, правительство США с 2004 года выделил 3,7 миллиардов долларов США на исследования и разработки в сфере нанотехнологий. Осознание стратегической важности нанотехнологий привело к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются программы работ по нанотехнологиям.
С 2005 года насчитываются более 55 стран, ведущих исследования и разработки в нанотехнологии.....