Основы физики наноструктур

Содержание

Слайд 2

«There’s Plenty of Room at The Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics»
(«Там внизу

«There’s Plenty of Room at The Bottom: An Invitation to Enter a
много места: приглашение в новый мир физики»)
Речь, произнесённая на рождественском обеде Американского физического общества 29 декабря 1959 года.

История термина

«Мне хочется обсудить одну малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений… Внизу (т. е. «внизу или внутри пространства», если угодно) располагается поразительно сложный мир малых форм, и когда-нибудь (например, в 2000 г.) люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьёзно к исследованиям этого мира»

Ричард Фейнман
(1918-1988)

Слайд 3

Лекции Фейнмана, записанные вначале на магнитофон, а затем «переведенные» на «письменный английский»

Лекции Фейнмана, записанные вначале на магнитофон, а затем «переведенные» на «письменный английский»
профессорами М.Сэндсом и Р.Лейтоном, не похожи ни на один известный курс.
Они отличаются оригинальным методом изложения, в котором отразилась яркая научная индивидуальность автора, его точка зрения на пути обучения
студентов физике, его умение заразить читателей интересом к науке.

Слайд 4

«Дедушка нанотехнологий»

Сделать работающий электромотор, размещающийся в кубе со стороной 1/64 дюйма (≈0.4

«Дедушка нанотехнологий» Сделать работающий электромотор, размещающийся в кубе со стороной 1/64 дюйма
mm)
«Разместить Британскую Энциклопедию на булавочной головке», то есть, записать текст шрифтом, уменьшенным в 25 000 раз.

В декабре 1959 г. Р. Фейнман из своих личных средств учредил две премии по $1000 за практическое осуществление двух задач «управления строением вещества в интервале очень малых размеров», которые казались ему осуществимыми только в отдалённом будущем:

Менее чем через год, первую премию Фейнмана получил физик МакЛеллан (McLellan) из Университета Калифорнии. Работая во время обеденных перерывов, и используя обычный микроскоп, инструменты часовщика и зубочистки, за 2,5 месяца он собрал электромотор из 13 частей, массой 250 микрограмм и со скоростью вращения 2000 об/мин.

Слайд 5

«Дедушка нанотехнологий»

В 1985 году вторую премию получил Томас Ньюман из Университета Стэнфорда

«Дедушка нанотехнологий» В 1985 году вторую премию получил Томас Ньюман из Университета
за требовавшееся уменьшение размеров печатного шрифта.

Первая страница романа Ч. Диккенса «Повесть о двух городах»
(запись электронным пучком)

Слайд 6

D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope.

D.M. Eigler, E.K. Schweizer. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope.
Nature 344, 524-526 (1990).

5 нм

Атомы
Xe

«Дедушка нанотехнологий»

«И наконец, рискну предложить еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке — именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира!» (Фейнман, 1959 год)

Слайд 7

Норио Танигучи

«Нанотехнология» - это производственная высокоточная технология получения структур с очень маленькими размерами,

Норио Танигучи «Нанотехнология» - это производственная высокоточная технология получения структур с очень
т.е. в основе этой технологии лежат высокая точность и размеры порядка 1 нм (нанометр, 10−9 м) в длину (статья «Об основных принципах нанотехнологий»,1974 год).

Свой термин Танигучи относил прежде всего к допускам обработки макроскопических объектов и материалов. По сути, в его трактовке нанотехнологии сводились к доведению до молекулярного совершенства существующих принципов механической обработки материалов.

Слайд 8

Машины создания: грядущая эра нанотехнологии

Эрик Дрекслер (Eric Drexler)

1955 г.р.

Первая книга по нанотехнологиям

Машины создания: грядущая эра нанотехнологии Эрик Дрекслер (Eric Drexler) 1955 г.р. Первая
(1986 г.)

В 1991 году Эрик Дрекслер защитил первую в истории диссертацию (PhD), по нанотехнологиям

Э.Декслер: Нанороботы, запрограммированные на самопроизводство, способны поглотить всю существующую биомассу и материю, превратив её в «серую слизь»
Р.Смолли: Наноробот, способный мультиплицироваться со скоростью 1 млн. атомов в секунду, нужно 20 млн. лет, чтобы накопить несколько десятков грамм продуктов саморазмножения при огромных энергетических затратах

Слайд 9

Нанотехнологии в древности

“Кубок Ликурга”
изготовлен
римлянами
В 4 веке н.э.

Кубок меняет цвет

Нанотехнологии в древности “Кубок Ликурга” изготовлен римлянами В 4 веке н.э. Кубок
при освещении изнутри.
Этот эффект создают наночастицы золота и серебра размером порядка 70 нм..

Слайд 10

Нанотехнологии в Средние века

Яркие витражи (начиная с 6-го века) создавались не с

Нанотехнологии в Средние века Яркие витражи (начиная с 6-го века) создавались не
помощью красок, а с помощью наночастиц благородных металлов, обеспечивающих яркость и долговечность

Слайд 11

Дамасская сталь содержит углеродные нанотрубки
Reibold M., et al. Nature 444 286

Дамасская сталь содержит углеродные нанотрубки Reibold M., et al. Nature 444 286
(2006)

Дамасская сталь (около 1000 г н.э.)

Слайд 12

Наноколлоиды

Все цвета радуги можно получить при рассеянии света наноколлоидами с различными размерами

Наноколлоиды Все цвета радуги можно получить при рассеянии света наноколлоидами с различными
частиц.
Впервые обнаружил Майкл Фарадей в 1857 году.

Слайд 13

Нанотехнологии в компьютере

Жесткий диск

Сенсор Среда

Транзистор

Чувствительный слой
5 нм

Магнитные зерна
10 нм

Оксидный слой
4 нм

Квантовая яма
6

Нанотехнологии в компьютере Жесткий диск Сенсор Среда Транзистор Чувствительный слой 5 нм
нм

Слайд 14

ДНК

2 нм

Биологические объекты
3,4 нм

18 нм

300 нм

Вирус

ДНК 2 нм Биологические объекты 3,4 нм 18 нм 300 нм Вирус

Слайд 15

Нанообъекты в окружающем мире

Из книги Наоя Кобаяси «Введение в нанотехнологию»

Нанообъекты в окружающем мире Из книги Наоя Кобаяси «Введение в нанотехнологию»

Слайд 16

10–3 мм

10–6 μм

10–9 нм

10–3 мм 10–6 μм 10–9 нм

Слайд 17

Схема построения наноструктур «сверху-вниз» и «снизу-вверх»

Схема построения наноструктур «сверху-вниз» и «снизу-вверх»

Слайд 18

Какие объекты могут считаться наноструктурами?

Размер меньше 100 нм по одному измерению
Появление новых

Какие объекты могут считаться наноструктурами? Размер меньше 100 нм по одному измерению
свойств по сравнению с объёмными объектами, сделанными из того же материала
Наличие квантовых эффектов
Наличие коллективных эффектов
Самоорганизация и самосборка

Микро Нано Макро

Ядра
Атомы
Малые молекулы

Жидкости
Кристаллы
Стекла

Слайд 19

Классификация наноструктур по размерности

Движение электронов ограничено в:
1 направлении: Квантовые ямы (Quantum well)

Классификация наноструктур по размерности Движение электронов ограничено в: 1 направлении: Квантовые ямы
и тонкие пленки
«Двумерные электроны»
2 направлениях: Квантовые проволоки (Quantum wire)
«Одномерные электроны»
3 направлениях: Квантовые точки (Quantum dot)
«Нульмерные электроны»