Основы физики наноструктур

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

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.

«Дедушка нанотехнологий»
Сделать работающий электромотор, размещающийся в кубе со стороной 1/64 дюйма (≈0.4 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.

«Дедушка нанотехнологий»
В 1985 году вторую премию получил Томас Ньюман из Университета Стэнфорда за требовавшееся уменьшение размеров печатного шрифта.
Первая страница романа Ч. Диккенса «Повесть о двух городах»
(запись электронным пучком)

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)

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

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

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

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

Дамасская сталь содержит углеродные нанотрубки
Reibold M., et al. Nature 444 286 (2006)
Дамасская сталь (около 1000 г н.э.)

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

Нанотехнологии в компьютере
Жесткий диск
Сенсор Среда
Транзистор
Чувствительный слой
5 нм
Магнитные зерна
10 нм
Оксидный слой
4 нм
Квантовая яма
6 нм

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

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

10–3 мм
10–6 μм
10–9 нм

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

Какие объекты могут считаться наноструктурами?
Размер меньше 100 нм по одному измерению
Появление новых 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

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