Презентация: «ИННОВАЦИИ В РАЗВИТИИ КОМПАНИИ «ЭСТО-ВАКУУМ» - процессы и оборудование для вакуумно-плазменного формирования наност

Перевод вещества в коллоидное (ультрадисперсное) состояние называется наноструктурированием, под которым следует понимать не только получение его в виде свободных наночастиц и нанослоев, но создание и формирование на поверхности вещества наноструктур и нанослоев, а в объеме физических и/или химических нанофаз, а также нанополостей, которые можно рассматривать как своеобразные нанообъекты, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела (см. табл. 1).
Вещества, материалы и среды в коллоидном состоянии с размерами фаз, частиц, структур и слоев в диапазоне 1,0-100 нм хотя бы по одной координате, принято называть наносистемами, а сами такие объекты - наночастицами, наноструктурами, нанослоями, (нанопленками), нанофазами и нанополостями, обычно обозначая их совокупность термином «нанообъекты».
Под технологией, в производственном смысле, понимаются способы контролируемого преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления.
Тогда: нанотехнологии - это способы контролируемого получения веществ, материалов и сред в наноструктурированном (коллоидном) состоянии с новыми физико-химическими свойствами, сопровождающиеся исследованием этих свойств и измерением характеристик и последующим использованием в различных отраслях науки, техники и промышленности.
Таким образом, в настоящее время установлено, что в основе нанотехнологий лежит контролируемое наноструктурирование веществ и материалов, приводящее к получению новых искусственных (отсутствующих в природе) внутренних структур этих веществ и материалов, определяющих их уникальные физико-химические свойства. Практически, контролируя процессы наноструктурирования, можно получить неограниченные наборы искусственных аллотропных и полиморфных

.Таблица 1
Примечание: РЭМ и ТЭМ – сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы; СЗМ – сканирующие зондовые микроскопы.
Классификация состояния вещества по степени его дисперсности приведена в табл. 1.

модификаций любых веществ и материалов, устойчивых в условиях получения и эксплуатации, и имеющих регулируемые новые (требуемые) физико-химические свойства.
К таким свойствам относятся: прочность, теплоемкость, температура плавления, электрические и магнитные характеристики, реакционная способность. Подобные различия называются размерными (или масштабными) эффектами. Кроме того, если размеры нанообъектов, хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, то у них появляются физико-химические свойства квантовомеханической природы.
Обобщив в 1904-1910 гг. результаты исследований дисперсных систем, профессор Санкт-Петербургского Горного института П.П. фон Веймарн сформулировал фундаментальный принцип универсальности коллоидного состояния вещества:
«Коллоидное (наноструктурированное) состояние не является обособленным, обусловленным какими-либо особенностями состава вещества. При определенных условиях каждое вещество может быть получено в коллоидном (наноструктурированном) состоянии».
Таким образом, любое вещество может быть получено в виде коллоида и, следовательно, целесообразно говорить не о коллоидных (наноструктурированных) веществах, а именно о коллоидном (наноструктурированном) состоянии, как свойстве Материи.
Именно поэтому можно говорить о неисчерпаемости нанотехнологий и с полным основанием считать П. фон Веймарна, а не Р. Фейнмана, основателем нанотехнологий
Принцип универсальности требует введения в качестве пятого агрегатного (фазового) состояния, наряду с твердым, жидким, газообразным и плазменным, коллоидного (ультрадисперсного, наноструктурированного) состояния вещества.

В наносистемах (наноструктурированных веществах, материалах и средах) можно выделить следующие нанообъекты:
- свободные наночастицы;
- свободные нанослои (нанопленки);
- наночастицы различных веществ в аэрозолях и эмульсиях;
- нанопузырьки (газовые наноячейки) в жидких пенах различных веществ;
- наночастицы различных веществ в коллоидных растворах (золях) или в коагулированных коллоидных растворах (гелях);
- поверхностные физические и химические наноструктуры (наноямки, нановыступы, наноканавки, наностенки);
- поверхностные химические наноструктуры (кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и т.д.);
- поверхностные физические и химические нанослои (нанопленки) и их наборы;
объемные физические наноструктуры (нанокристаллические зерна, наноразмерные полиморфные фазы, нанопоры, нанопузырьки и наноканалы);
- объемные химические наноструктуры в виде наночастиц и нанослоев вещества, чужеродных данному веществу;
- макромолекулы полимеров (следует отметить, что наличие распределения по размерам является признаком, отличающим наночастицы от макромолекул);
- супрамолекулярные наноструктуры: макромолекулы, мицеллы, везикулы, липосомы, дендриты, полимолекулярные ансамбли, молекулярные слои, клатраты - молекулярные комплексы типа «хозяин – гость» и др.;
биологические наноструктуры: вирусы, белки, хромосомы, нуклеиновые кислоты ДНК и РНК, гены и др.
Первоначально объективные физические и химические закономерности ультрадисперсного (коллоидного) состояния вещества изучала коллоидная химия, которая сформировалась в начале 20-го века в самостоятельную научную дисциплину и, впоследствии, стала научной основой промышленных производств многих материалов.
Основные отрасли науки и промышленности, изучающие коллоидное (ультрадисперсное, наноструктурированное) состояние веществ и материалов (наносистемы) и использующие нанотехнологии для их получения, исследования и применения, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Основные отрасли науки и промышленности, изучающие коллоидное (ультрадисперсное, наноструктурированное) состояние веществ и материалов и использующие нанотехнологии для их получения, исследования и применения.

Нанообъекты занимают промежуточное состояние между атомно-молекулярным и конденсированным непрерывным (континуальным) состоянием вещества, к которому относятся объекты микро- и макромира .
Поэтому нанообъекты могут формироваться:
- из более крупных непрерывных объектов макро- или микроскопического уровня путем их диспергирования (измельчения, рассеяния) (диспергационные методы нанотехнологий - подход «сверху вниз» или «top-down»);
- и из более мелких дискретных объектов (молекул, атомов, ионов, структурных единиц) атомно-молекулярного уровня вещества их конденсацией (объединением, уплотнением) (конденсационные методы нанотехнологий - подход «снизу вверх» или «bottom up»).
Наносистемы (наноструктурированные вещества, материалы и среды) также могут формироваться из нанообъектов диспергационными и конденсационными методами.
Если нанообъекты образованы из непрерывного вещества диспергационным методом, а наносистема сформирована из этих нанообъектов конденсационным методом, то обычно формулируется, что наносистема образована из непрерывного вещества дисперсионно-конденсационным методом (рис. 2 ).
Если же нанообъекты образованы из дискретных молекул, атомов, ионов или структурных единиц конденсационным методом, а наносистема из этих нанообъектов сформирована диспергационным методом, то часто отмечается, что наносистема образована из дискретных частиц вещества конденсационно-диспергационным методом (рис. 2).

Рис. 2. Классификация методов нанотехнологий для получения нанообъектов и наносистем.

В отличие от объектов атомно-молекулярного уровня и непрерывных веществ и материалов микро- и макроскопических уровней физико-химические свойства нанообъектов и наносистем в значительной степени определяются параметрами внешней среды.
При этом под параметрами внешней среды понимаются:
- вид и агрегатное состояние среды, в которой происходит процесс получения нанообъектов и наносистем;
- режимы процессов получения и обработки нанообъектов и наносистем;
- конструкция, материал и размеры процессных камер и их элементов, в которых происходит процесс получения нанообъектов и наносистем;
- материал, качество обработки и очистки поверхности подложек, на которых происходит процесс получения нанообъектов и наносистем.
Таким образом, в основе классификации нанообъектов и наносистем обычно лежат способы (методы) их получения ([1] - Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. – М.:ФГУП «ЦНИИХМ», 2008. – 432 с.).
Автор настоящей презентации согласен с утверждением академика РАН Бучаченко А.Л. ([2] -А.Л. Бучаченко. Нанохимия – прямой путь к высоким технологиям нового века. – Успехи химии. 2003, том 72, № 5, с. 419 – 437.), что границы области размеров в нанометрах не могут быть корректными критериями наноструктурированного состояния вещества, изучаемого нанохимией.
Однако, размерные границы коллоидного (наноструктурированного) состояния вещества были введены еще в начале 20-го века, когда при определении нижней границы не были точно известны размеры атомов и молекул, а верхней граница оценивалась по предельному разрешению оптических микроскопов ([3] - В. Киреев. Нанотехнологии: история возникновения и развития. - Наноиндустрия, 2008, № 2, с. 2 - 8.).

В настоящее время наноструктурированное состояние вещества или мир нанообъектов можно охарактеризовать с четырех точек зрения: классической коллоидной химии; физики низкоразмерных структур; нанохимии и полевой физики.
Коллоидная химия использует только размерный критерий, т.е. диапазон (1,0 – 100) нм.
Физика низкоразмерных структур оперирует размерами, меньшими критических длин, характеризующих изучаемые физические явления, т.е. началом проявления квантовомеханических эффектов.
Согласно нанохимии [2], мир нанообъектов простирается от индивидуальных атомов или молекул до континуальных (непрерывных) систем, составляющих объекты (фазы) микроскопического или макроскопического уровня, причем нанообъекты проявляют физико-химические свойства отличные от других объектов идентичного химического состава, и эти свойства зависят от размера нанообъектов (количества атомов, молекул или структурных единиц в них).
С точки зрения полевой физики, основное отличие нанообъектов от других объектов заключается в том, что для первых потеря или приобретение одного элемента (атома, молекулы, структурной единицы) значительно изменяет форму и (или) набор их энергетических полевых оболочек, а, следовательно, их внутреннюю структуру и (или) химический состав и, в конечном итоге, физико-химические свойства ([4] - Киреев В.Ю., Врублевский Э.М., Недзвецкий В.С. и Сосновцев В.В. Философские, физические и химические аспекты объектов и методов нанотехнологий. – Информация и инновации. 2010, специальный выпуск, с. 1 – 90.) .

Таким образом, в соответствии с классической наукой могут существовать нанообъекты, не являющиеся таковыми с точки зрения нанохимии, так как не обладают размерным эффектом относительно изменения физико-химических свойств.
Например, частица железо почти полностью теряет специфические физико-химические свойства (энергия ионизации, магнетизм) и приближается к металлическому железу при числе атомов в частице n = 15. При n > 15 она остается наночастицей в размерном смысле, но теряет качества нанообъекта, в котором, согласно нанохимии, свойства являются функцией размера [2].
Контролируемое наноструктурирование материалов пленок, пленочных структур и покрытий, наносимых в вакууме, эффективнее всего проводить непосредственно в процессе их осаждения на подложки (или изделия), используя управляемые ионно-плазменные обработки подложек и/или попеременное использование источников нанесения пленок различных материалов (рис. 3).
Например, изменяя энергию и плотность тока потока ионов аргона, облучающих подложку в процессе нанесения на нее пленок меди из магнетронного источника, можно получить слои меди с различной степенью наноструктурирования и ориентации зерен, а, следовательно, с различной удельной проводимостью. Аналогичным образом, только используя ионы газовой смеси аргон/метан/водород можно получить различные пленки углерода: от аморфного графита до алмазоподобных слоев. Формируя с помощью реактивного магнетронного нанесения структуру из сотни чередующихся слоев нитридов ниобия и тантала толщиной по 20 нм, можно получить сверхтвердое наноструктурированное покрытие.

Рис. 3. Принципы наноструктурирования пленок и покрытий при их нанесении на подложку с использованием вакуумно-плазменных и ионных процессов

Стратегическим направлением компании ООО «ЭСТО-Вакуум» в области развития наноиндустрии является разработка и изготовление серийного технологического вакуумно-плазменного оборудования, позволяющего энергетически с помощью независимого варьирования параметрами ионного пучка и потока материала управлять процессом формирования структуры наносимых или выращиваемых на подложке пленок, пленочных структур и покрытий различных материалов (рис. 4).
Таким образом, на установках компании ООО «ЭСТО-Вакуум» серии «Caroline» получение пленок, пленочных структур и покрытий с уникальными (требуемыми) физико-химическими свойствами может быть поставлено на поток, так как длительные и дорогостоящие научные исследования заменяются независимым варьированием параметров энергетического потока и потока конденсирующего (наносимого) вещества или материала.
В настоящее время компания ООО «ЭСТО-Вакуум» ведет разработку кластерной вакуумной установки на базе интегрированного комплекса запатентованных ионно-плазменных устройств с независимой регулировкой операционных параметров каждого устройства, которая будет являться универсальным инструментом для получения новых пленочных материалов, структур и покрытий с уникальными (требуемыми) физико-химическими свойствами.