У статті дано докладний опис основних квантових об'єктів нанотехнологій: Квантових точок, вуглецевих нанотрубок і графена. Вивчення квантових явищ, що визначають унікальні властивості цих об'єктів, придбання навичок їх дослідження і використання в практичних цілях становить основну задачу підготовки студентів технічних університетів до роботи в найбільш перспективних напрямках сучасної науки і техніки. У статті описані методи отримання квантових точок, їх фізичні властивості, а також властивості вуглецевих нанотрубок і графена. Значну увагу приділено аналізу вже існуючого практичного застосування квантових об'єктів нанотехнологій і обговорення його широких перспектив. Відзначається, що необхідною умовою успішного освоєння нанотехнологій в нашій країні є вивчення студентами квантових явищ в курсі фізики технічних навчальних закладів.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Смирнов Євген Васильович


Quantum objects of nanotechnology: characteristics, application and outlook

The article gives a detailed description of the main quantum objects of nanotechnology: quantum dots, carbon nanotubes and graphene. Studying of quantum phenomena determining the unique properties of these objects, acquisition of skills for their studies and use in practical purposes is the main task of preparation of students of technical universities to work in the most perspective directions of modern science and technology. The article describes the methods of obtaining quantum dots, their physical properties, and properties of carbon nanotubes and graphene. Considerable attention is paid to the analysis of already existing practical application of quantum objects of nanotechnology and discussion of its broad prospects. It is noted that the necessary condition for the successful development of nanotechnology in our country is the study by students of quantum phenomena in a course ofphysics of the technical University.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2013
    Журнал
    Інженерний журнал: наука та інновації
    Наукова стаття на тему 'КВАНТОВІ ОБ'ЄКТИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ: властивості, застосування, ПЕРСПЕКТИВИ'

    Текст наукової роботи на тему «КВАНТОВІ ОБ'ЄКТИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ: властивості, застосування, ПЕРСПЕКТИВИ»

    ?УДК 539.1

    Квантові об'єкти нанотехнологій: властивості, застосування, перспективи

    © Е.В. Смирнов МГТУ ім. Н.е. Баумана, 105005, Москва, Росія

    У статті дано докладний опис основних квантових об'єктів нанотехнологій: квантових точок, вуглецевих нанотрубок і графена. Вивчення квантових явищ, що визначають унікальні властивості цих об'єктів, придбання навичок їх дослідження і використання в практичних цілях становить основну задачу підготовки студентів технічних університетів до роботи в найбільш перспективних напрямках сучасної науки і техніки. У статті описані методи отримання квантових точок, їх фізичні властивості, а також властивості вуглецевих нанотрубок і графена. Значну увагу приділено аналізу вже існуючого практичного застосування квантових об'єктів нанотехнологій і обговоренню його широких перспектив. Відзначається, що необхідною умовою успішного освоєння нанотехнологій в нашій країні є вивчення студентами квантових явищ в курсі фізики технічних навчальних закладів.

    Ключові слова: об'єкти нанотехнології, квантові точки, вуглецеві нано-трубки, графен.

    Вступ. Сучасний стан науки і техніки досяг такого рівня, який дозволяє оперувати (маніпулювати) окремими молекулами, окремими атомами і навіть окремими електронами. Саме вони складають елементну базу нанотехнологій - нових розділів високих технологій, в яких вивчаються і використовуються в практичних цілях процеси, що відбуваються в областях наноме-тров розмірів. Мета нанотехнологій полягає в управлінні поведінкою окремих наночастинок - атомів, молекул, молекулярних систем - при створенні нових наноструктур, наноустройств і матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними і біологічними властивостями. Ці об'єкти мають дуже цікаві фізичними особливостями, пов'язаними, в першу чергу, з проявом квантових ефектів, і мають дуже широкі перспективи застосування в радіоелектроніці, лазерної техніки, інформаційних технологіях, машинобудуванні, біології, медицині і т. Д.

    Расширяющееся з кожним роком практичне використання наноструктур складає суть що відбувається в даний час нанотех-технологічного революції (див., Наприклад, [1-6]). На думку фахівців, ця революція охопить всі життєво важливі напрямки діяч-

    ності людини, а її наслідки будуть істотно більш великими і глибокими, ніж наслідки комп'ютерної революції кінця XX в.

    У міру розвитку нанотехнологій предметом досліджень в цій області стають все більш нові і перспективні об'єкти, які виявляють унікальні фізичні властивості: квантові ями, квантові нитки, квантові точки, графен, силіцію і т. Д. Властивості цих об'єктів обумовлені їх квантово-механічної природою і описуються законами квантової фізики. Саме тому студентам технічних вузів важливо добре знати ці закони і вміти користуватися ними у своїй практичній роботі. Необхідність розгляду питань, пов'язаних з квантовою фізикою, в сучасному курсі загальної фізики технічного університету обумовлена ​​як інтенсивним розвитком і практичним застосуванням нанотехнологій, так і тим, що квантова фізика - основний апарат інженерних розрахунків в цій області.

    Квантові точки. Квантової точкою називається нанокристал, в якому рух електронів обмежена в трьох просторових напрямках. Розмір області, яка обмежує рух електронів в цих структурах, становить, як правило, від декількох нанометрів до декількох десятків нанометрів. Такі об'єкти, подібно до атомів, володіють дискретним енергетичним спектром, тому їх часто називають «штучними атомами», хоча вони і складаються з тисяч реальних атомів.

    Квантові точки, як і ряд інших наноструктур, обчислюються на основі використання найчастіше напівпровідникові матеріали. Вони являють собою вирощені спеціальним чином наноостровкі - включення одного напівпровідника (з меншою шириною забороненої зони) в матриці або на поверхні іншого напівпровідника (з більшою шириною забороненої зони). Різниця в ширині заборонених зон напівпровідників приводить до того, що електрони виявляються локалізованими в межах квантової точки. Таким чином, квантова точка являє собою своєрідну пастку, яка утримує електрони всередині себе. Квантові точки можуть мати форму пірамід, сфер, сплюснутих крапель і т. Д., Яка залежить від технологічних умов їх отримання.

    Однією з найбільш поширених технологій отримання напівпровідникових квантових точок є молекулярно-променева епі-таксі. Відповідно до цієї технології вирощування квантових точок проводиться в високовакуумної установці шляхом осадження атомів або молекул однієї речовини на поверхні іншої (підкладці). При цьому потік осідає речовини з джерела може бути настільки малим, що виявляється можливим наносити на підкладку один мономолекулярний шар за іншим.

    Як приклад на рис. 1 наведені квантові точки PbSe, вирощені за допомогою цього методу на підкладці PbTe. При зростанні першого мономолекулярного шару PbSe на підкладці PbTe, через відмінності сталих ґратки цих кристалів, в зростаючому шарі виникають пружні напруги. При подальшому осадженні молекул PbSe ці напруги збільшуються, так що енергетично вигідним стає рівномірне зростання осаждаемого речовини по всій поверхні підкладки, а освіту окремих наноостровков PbSe на поверхні PbTe. Знову надходять з джерела молекули PbSe осідають на даних острівцях, утворюючи в результаті кристалічні структури - квантові точки - в вигляді пірамідок (див. Рис. 1). Аналогічним чином, у вигляді пірамідок, здійснюється зростання квантових точок InAs / GaAs, Ge / Si і ін. Більш детальний вид квантової точки Ge / Si, отриманий з атомним дозволом за допомогою електронного скануючого мікроскопа, наведено на рис. 2.

    Мал. 1. Квантові точки PbSe на підкладці PbTe [7]

    Мал. 2. германієвої квантова точка на кремнієвій підкладці [8]

    Квантову точку можна розглядати як «штучний атом», позбавлений ядра. Який саме натуральний атом представлений штучним, визначається числом надлишкових електронів, укладених в квантової крапки. Причому, це число електронів можна змінювати, змінюючи умови зростання квантових точок, або ж за допомогою зовнішніх електромагнітних полів. Таким чином, можна «штучний атом» свинцю або ртуті перетворити в «штучний атом» срібла або золота.

    Сучасні методи дослідження дозволяють отримувати інформацію про щільність ймовірності знаходження електрона в квантовій точці, т. Е. Дають можливість візуалізувати хвильові функції електрона в нанокристалічних об'єктах. На рис. 3 наведено розподіл щільності ймовірності знаходження електрона в квантовій точці для основного і першого збудженого станів, отримане російськими вченими методом магнітотуннельной мікроскопії [9]. Об'єктом їх досліджень були квантові точки 1пЛв, поміщені в двухба-рьерную гетероструктуру ЛЮаЛв / ОаЛБ. Характерний розмір квантових точок становив ~ 20 нм, їх висота ~ 2 .. .3 нм, щільність квантових точок на поверхні підкладки ~ 0,5 1 011 см-2. Слід підкреслити, що експериментально виміряна в даній роботі щільність ймовірності якісно узгоджується з результатами розрахунків, виконуваних для потенційної ями кінцевої глибини в курсі загальної фізики.

    Спектр випромінювання квантових точок, як уже зазначалося, є дискретним, точніше, квазідіскретним. Це пов'язано з тим, що навіть в умовах одного досвіду не вдається виростити абсолютно однакові квантові точки. Вони розрізняються як розмірами, так і числом містяться в них атомів. Природні атоми одного сорту, як відомо, абсолютно тотожні і мають однаковий спектр випромінювання. «Штучні атоми» - нанокристали - подібної тотожний-

    Мал. 3. Експериментально виміряна щільність ймовірності перебування електрона в квантовій точці в основному (а) і першому збудженому (б) станах [9]

    ністю не володіють. Мінімальний розкид розмірів квантових точок, досягнутий до теперішнього часу, спостерігається у розглянутих вище квантових точок PbSe / PbTe і становить приблизно 2%.

    Розкид в розмірах призводить до різниці в енергетичних спектрах окремих квантових точок. Таким чином, результуючий спектр випромінювання системи квантових точок є сумою ліній випромінювання окремих квантових точок і має певну ширину. Енергетична ширина такого спектру, згідно з експериментальними даними, становить кілька десятків мілліелектрон-вольт (ЛА ~ 5 нм) при положенні максимуму лінії випромінювання в ближньому інфрачервоному або видимому діапазоні.

    Ще одним важливим методом отримання квантових точок, що становлять інтерес як з наукової, так і з прикладної точок зору, є колоїдний синтез, який в даний час є важливою областю неорганічного синтезу наночастинок. Отримання квантових точок методом колоїдного синтезу здійснюється в рідкій фазі. Керуючи параметрами технологічного процесу вирощування зародків нанокристалів, можна змінювати умови розвитку і отримувати на-нокрісталли різних розмірів і форми.

    Підбір технологічних параметрів росту дозволяє домагатися формування нанокристалів в тих чи інших напрямках і в підсумку отримувати нанокристали самої різної форми, в тому числі у вигляді різноманітних багатогранників. На заключному етапі синтезу квантових точок їх покривають напівпровідникових матеріалом з більшою шириною забороненої зони, ніж основний напівпровідник (рис. 4). Ці точки покривають також амфіфільних полімером, який містить одночасно водовідштовхувальні (гідрофобні) і по-допрітягівающіе (гідрофільні) компоненти. Квантові точки з амфіфільних покриттям можуть розчинятися у воді, зв'язуватися з молекулами, полімерами і утворювати комбінації з іншими квантовими точками.

    Ядро - CdSe, CdS Оболонка ядра - ZnS, CdS, ZnSe амфіфільних поверхню

    • Cd

    • Se / S Zn / Cd

    • S / Se

    Мал. 4. Колоїдна квантова точка [10]

    Важливою перевагою цього методу є те, що він дозволяє виробляти квантові точки практично в будь-яких необхідних для практичних потреб кількостях. Можливість гнучкого управління технологією виробничого процесу призводить до того, що вдається отримувати квантові точки з невеликим розкидом розмірів, а отже, і параметрів точок, і широким спектром поглинання.

    З амфіфільних поверхнею колоїдної квантової точки можуть міцно зв'язуватися інші молекули, що робить такі квантові точки чутливими по відношенню до певних речовин, молекулам, і, зокрема, до пухлинних клітин. Слід зазначити, що використання квантових точок дозволяє отримати один з найбільш ранніх методів діагностики онкологічних захворювань. Важливо також те, що амфіфільних покриття ніяк не позначається на випромінювач-них властивості квантових точок.

    Як матеріали для створення квантових точок, як уже зазначено, використовуються PbSe, PbTe, InAs, GaAs, Ge, Si, CdSe, ZnSe, CdS, ZnS, а також ряд інших матеріалів. Вибираючи різні сполуки і змінюючи умови технологічних процесів росту квантових точок, можна отримувати широкий спектр нанооб'єктів, що відрізняються не тільки розмірами, а й фізико-хімічними властивостями.

    Слід підкреслити, що стрімке проникнення квантових точок в самі різні галузі науки і техніки обумовлено, в першу чергу, їх унікальними оптичними характеристиками [11]:

    • вузьким симетричним піком флуоресценції, положення якого залежить від розміру квантової точки і її хімічного складу;

    • широкою смугою збудження, що дозволяє порушувати розрізняються за своїми розмірами та властивостями квантові точки одним джерелом випромінювання;

    • високою яскравістю флуоресценції квантових точок;

    • унікально високою фотостабільні, що дає можливість використовувати потужні джерела збудження.

    Квантові точки є настільки універсальними об'єктами, що їх практичне застосування має широкі перспективи майже у всіх областях сучасних високих технологій. На основі квантових точок створюються нові види напівпровідникових лазерів, зокрема, виявляється можливим створення надмалих лазерів, здатних оперувати окремі живі клітини. У 2010 р японські дослідники представили перший в світі лазер на квантових точках, що дозволяє передавати дані зі швидкістю 25 Гбіт / с на одній моді, що дає можливість передавати за більш короткі проміжки часу більшу кількість інформації.

    Зовсім недавно компанії LG і Samsung повідомили про створення перших дисплеїв на квантових точках. Очікується, що такі дисплеї ока-

    жутся не тільки яскравіше і енергетично ефективніше сучасних, а й матимуть нижчу вартість.

    Дуже перспективним є використання квантових точок в интроскопии біологічних структур і організмів. Так, квантові точки, введені в кровоносні судини, дозволяють з високою роздільною здатністю розглядати дрібні капіляри. Крім того, вони дають можливість отримувати тривимірні зображення живих клітин, наприклад, ракових або клітин мозку, і, як уже зазначалося, дуже перспективні при ранній діагностиці і лікуванні на самих ранніх стадіях онкологічних захворювань.

    Важливо відзначити, що квантові точки є одним з головних кандидатів для подання основи квантової пам'яті - ку-бітів - при обчисленнях на квантовому комп'ютері.

    Вуглецеві нанотрубки. Виявлення нових форм існування вуглецю - одного з найпоширеніших елементів на Землі, таких як фулерени, вуглецеві нанотрубки, графен, відноситься до числа найбільш дивовижних і важливих відкриттів в науці XX століття. Довгий час вважалося, що вуглець має тільки дві кристалічні структури - графіт і алмаз. Згодом було показано, що атоми вуглецю можуть становити складні молекули з поверхнями, утвореними правильними п'яти-, шести-, семи- і восьмикутниками. В кінці ХХ ст. були відкриті різноманітні форми елементарного вуглецю, серед яких слід виділити фулерени, нанотрубки і графен. У даній публікації основну увагу приділено аналізу властивостей вуглецевих нанотрубок і графена і опису їх можливих застосувань в нанотехнологіях.

    Нанотрубка є циліндричну поверхню, утворену правильними шестикутниками з атомів вуглецю (рис. 5). Протяжність цих трубок, при діаметрі від часткою нанометра до декількох нанометрів, може досягати декількох сантиметрів. Залежно від умов отримання вони можуть мати відкриті або закриті кінці. Крім того, в залежності від розміру і структури, нанотрубки можуть володіти провідними властивостями або провідників, або напівпровідників [12].

    Вуглецева нанотрубка характеризується цілими числами (індексами симетрії) п і т, які називаються також індексами Хіраль-ності. У загальному випадку нанотрубки володіють гвинтовий віссю симетрії, при цьому вуглецеві шестикутники закручуються по спіралі навколо осі трубки (див. Рис. 5, б).

    Аналіз показує, що два типи трубок - з індексами (п, 0) і (п, п) - не мають гвинтовий симетрії. В трубках з індексами (п, 0) сторони вуглецевих шестикутників при русі по трубці парал-

    лельно осі циліндра утворюють зигзаги. Такі трубки називаються зіг-загнити (рис. 6, а). В трубках з індексами (п, п) сторони шестикутників при русі паралельно осі циліндра утворюють креслоподоб-ні провали. Такі трубки називаються крісельними (рис. 6, б). У загальному випадку, як зазначалося, трубки мають гвинтовий віссю симетрії (рис. 6, в).

    Індекси симетрії вуглецевих нанотрубок містять дуже важливу інформацію про їх властивості. Перш за все, вони дозволяють однозначно визначити діаметр нанотрубки

    Мал. 5. Модель вуглецевої нанотрубки: а - графітова стрічка, утворена правильними шестикутниками; б - згорнута з цієї стрічки нанотрубка [12]

    Мал. 6. Типи структури вуглецевих нанотрубок: а - зігзагная; б - крісельна; в - з гвинтовою симетрією [12]

    й = \ [г,

    т

    пт

    л / 3 йо

    п

    де й0 = 0,142 нм - найменша відстань між атомами вуглецю в графітовоїплощині.

    Крім того, індекси п і т, як показують результати теоретичного розгляду, містять інформацію про електропровідності вуглецевих нанотрубок. Так, нанотрубки з крісельної структурою мають металевим типом провідності, що підтверджується і експериментальними даними. Нанотрубки з зігзагной структурою при п, кратному 3, мають металевою провідністю, а в інших випадках мають напівпровідниковий тип провідності з шириною забороненої зони від кількох десятих до приблизно двох електронвольт.

    Нанотрубки з гвинтовою віссю симетрії, в залежності від значення індексів п і т, можуть проявляти як металевий, так і напівпровідниковий тип провідності. Металева провідність реалізується для тих трубок, у яких

    п - т = 3к,

    де до - ціле число. У всіх інших випадках такі нанотрубки володіють напівпровідниковими властивостями з шириною забороненої зони ЛЕё, обернено пропорційній її діаметру й.

    Кожен атом вуглецю в нанотрубке пов'язаний з трьома найближчими сусідами. Отже, з чотирьох валентних електронів атома вуглецю три утворюють локалізовані а-зв'язку, а четвертий бере участь в утворенні делокалізованной п-зв'язку. Саме ці п-електрони, найслабше пов'язані зі своїми атомами, беруть участь в перенесенні заряду в нанотрубке.

    Помітний вплив на провідність нанотрубки надають хвильові властивості електронів. При русі електрона в нанотрубке виявляються можливими (дозволеними) тільки такі стани, для яких дебройлевская довжина хвилі електрона укладається ціле число раз на довжині окружності трубки. Це помітно обмежує число станів, в яких провідність здійснюється навколо циліндра. Основним напрямком, в якому відбувається перенесення заряду, є напрямок уздовж трубки.

    Провідність нанотрубок, що володіють металевим типом провідності, може бути дуже великий. Згідно з оцінками, вуглецеві нанотрубки можуть пропускати струм щільністю 109 А / см2, тоді як мед-

    ний провід через джоулева нагріву плавиться вже при щільності струму 106 А / см2. Істотним фактором, що забезпечує високу провідність вуглецевих нанотрубок, є дуже мала кількість структурних дефектів, на яких розсіюються електрони. Саме тому опір нанотрубки дуже невелика і великий за величиною струм не нагріває її так сильно, як він нагріває металевий провідник. До того ж, вуглецеві нанотрубки володіють досить високою теплопровідністю.

    Ефективним методом вивчення структури і електронних властивостей вуглецевих нанотрубок є скануюча тунельна мікроскопія (СТМ) (рис. 7). Вона дозволяє досліджувати не тільки атомну структуру трубки, але і визначати тип провідності, а також параметри симетрії нанотрубки.

    Вуглецеві нанотрубки володіють також унікальними механічними властивостями, що є наслідком особливостей їх атомної структури. Вони характеризуються великою пружністю при вигині і високою міцністю. Під дією прикладеної сили нанотрубка згинається і потім, після зняття навантаження, відновлює свій стан. Причиною того, що більшість матеріалів при згині деформуються і ламаються, є наявність дефектів: дислокацій, меж зерен і т. Д. Оскільки, як уже зазначалося, вуглецеві нано-трубки мають досконалої структурою з малою кількістю дефектів, їх пружність виявляється дуже високою.

    Ще однією причиною, що підвищує пружність і міцність нано-трубок, є наявність вуглецевих кілець в їх стінках. Ці вуглецеві кільця у вигляді правильних шестикутників самі мають дуже

    нм

    нм

    1

    Про Про

    нм

    Мал. 7. Результати СТМ-дослідження вуглецевої нанотрубки [13]

    високу міцність. При вигині вони можуть змінювати свою форму, деформуються, але не рвуться.

    Нанотрубки, одержувані в процесі росту, можуть бути як одношаровими, так і багатошаровими, т. Е. Являти собою систему вкладених один в одного циліндрів зменшується радіуса, подібно до того, як вкладаються одна в іншу матрьошки. Дослідження показали, що групи концентричних (телескопічних) нанотрубок, що знаходяться всередині іншого набору таких же трубок, можуть ковзати одна відносно одної з частотою близько мільярда раз в секунду. Такі механічні гігагерцові осцилятори можуть стати основою нанорозмірних приладів, компоненти яких будуть володіти блискавичною швидкістю реакції на магнітні і механічні дії.

    Незвичайні і надзвичайно різноманітні властивості вуглецевих нанотрубок - структурні, електричні, механічні та т. Д. - містять в собі дуже широкі можливості їх практичного застосування. Розглянемо деякі з них.

    Хороша провідність нанотрубок в поєднанні з мініатюрними розмірами і високим значенням відношення довжини до діаметру (>103) робить їх унікальним джерелом автоелектронної (холодної, польовий) емісії. Використання емітерів холодних катодів на основі нанотрубок дозволяє помітно поліпшити робочі характеристики плоских моніторів, катодолюмінісцентних джерел світла, рентгенівських трубок і ряду інших приладів. Нанотрубки, що володіють металевим типом провідності, можуть бути також використані для створення матеріалів, що екранують електромагнітне поле.

    Структурні та електронні властивості нанотрубок забезпечують широкі можливості їх використання в електроніці. На їх основі вже створено випрямлячі, транзистори, осцилятори нанометрових розмірів, швидкодія яких на порядки перевершує швидкодію існуючих пристроїв. За допомогою вуглецевих нанотрубок, вже зарекомендували себе як універсальний «будматеріал» на-ноелектронікі, найближчим часом можливе здійснити революційний перехід від кремнієвої мікроелектроніки до вуглецевої наное-лектроніке. Так, наприклад, транзистори, побудовані з нанотрубок, будуть в 500 разів менше тих напівпровідникових транзисторів, які використовуються в сучасних мікросхемах. Щільність запису інформації в наноелектроніки буде більше, ніж в кремнієвої мікроелектроніки, приблизно на три порядки.

    За допомогою вуглецевих нанотрубок можуть бути створені сверхконденсатори, що володіють дуже великою ємністю. Для цього суспензію з нанотрубок наносять на металеву підкладку так, щоб нано-трубки розташовувалися близько один до одного. Відомо, що ємність конденсатора пропорційна площі обкладок, на яких накопичуючи-

    ється електричний заряд. Завдяки своєму малому розміру нанотруб-ки мають великий сумарною площею поверхні, що дозволить запасати в сверхконденсаторах енергію до 30 кВт на один кілограм маси в порівнянні з 4 кВт / кг, характерними для сучасних кін -денсаторов. Сверхконденсатори на основі нанотрубок можуть бути використані в транспортних засобах, що працюють на електриці, а також в електроніці при необхідності отримання потужних і коротких імпульсів енергії.

    Унікальні перспективи мають вуглецеві нанотрубки в медицині, зокрема при створенні мозкових імплантантів. Дослідникам вдалося виростити культуру нервових клітин головного мозку людини на субстраті з мережі вуглецевих нанотрубок і встановити, що нано-трубки, завдяки своїм провідним властивостями, покращують передачу нервових імпульсів між клітинами. Отримані результати можуть бути використані при створенні довготривалих імплантантів головного мозку, а також в інформаційних нейромережевих технологіях і при створенні штучного інтелекту.

    Механічні і геометричні властивості вуглецевих нанотрубок дозволяють використовувати їх в якості вістря голки скануючих зон-дових мікроскопів. Нанотрубние вістря цих мікроскопів, як показали експерименти, мають помітні переваги в порівнянні з традиційно використовуваними голками. Досліди також показали, що вуглецеві нанотрубки можуть успішно використовуватися і в якості зондів-світловодів для бліжнепольной оптичної мікроскопії.

    Вуглецеві нанотрубки, як і фулеренові структури, є порожніми всередині і можуть служити ідеальними контейнерами (капсулами) для молекул інших речовин. Капсули з нанотрубок володіють важливою властивістю захищати капсульований матеріал від впливу з боку навколишнього середовища і мають великі перспективи в різних областях, зокрема, в екології. Особливо цікавим видається нанокапсулірованіе радіоактивних і магнітних матеріалів.

    Завдяки унікальній міцності і пружності вуглецеві нанотрубки можуть бути використані в якості армуючих волокон для отримання надміцних композитних сполук. Цікаво, що уряд США прийняло програму зі створення супутникового «повідця» - міцної нитки на основі вуглецевих нанотрубок, яка простягнеться від центру управління космічними польотами на Землі до космічного апарату, що знаходиться на навколоземній орбіті. Основна ідея такого космічного кабелю, висунута ще К.Е. Ціолковським і Ф.А. Цандером, полягає в закиданні вантажів на штучний супутник Землі, що знаходиться на геостаціонарній орбіті, за рахунок відцентрової сили.

    Графен. Графен є першим істинно двовимірним кристалом, він складається з одиночного шару атомів вуглецю, зібраних в

    гексагональную грати (рис. 8). Інтерес до графену з'явився після відкриття вуглецевих нанотрубок, які представляють собою згортку графенового листа в циліндр. Тому теорія графена в додатку до нанотрубок була досить добре опрацьована ще до його виявлення.

    Графен, отриманий вперше в 2004 р [14], має високу механічну міцність (в 200 разів Рис 8 Двовимірний кристал більше, ніж у сталі), значною графена [14]

    теплопровідністю і дуже високою рухливістю носіїв заряду електронів - максимально можливою серед всіх провідних матеріалів. Все це визначає великий інтерес до нього, як до дуже перспективному матеріалу для використання в найрізноманітніших додатках.

    Існує багато різних методів отримання графена: механічний, здійснюваний за допомогою розщеплення високоорієнтованих пиролитического графіту, хімічний, метод радіочастотного плазмохимического осадження з газової фази, зростання при високому тиску і температурі, а також ряд інших.

    Ідеальна структура графена містить в своєму складі тільки правильні шестикутники. Включення в цю структуру п'яти- або семикутник призводить до порушення нормальної роботи і викривлення атомної площині графена - утворення сідлоподібних викривлень атомної площині, згортання її в конус, формуванню замкнутих структур - фулеренів і т. Д.

    Потенційне поле застосування графена надзвичайно широко: використання в композитних матеріалах з метою створення більш легких літаків і супутників, заміна кремнію в транзисторах, впровадження в пластмасу для додання їй електропровідності, створення більш стійких до механічних впливів медичних імплантатів і ще багато, багато іншого. Деякі можливості вже реалізуються: так, зокрема, в лабораторії Каліфорнійського університету був створений графеновий польовий транзистор, що працює на частоті 300 ГГц.

    Висновок. Активно ведуться в усьому світі в даний час дослідження в області нанотехнологій, прагнення поставити її досягнення на службу людству відображають важливу особливість сучасного етапу науково-технічного розвитку. Крім того, нанотех-нології знаходять найширше застосування і в технічних напрямках, пов'язаних з обороною країни. «... Той, хто раніше опанує

    нанотехнологией, займе провідне місце в техносфери майбутнього ». Ці слова належать Е. Теллеру, батькові американської водневої бомби, лауреату премій ім. А. Ейнштейна і їм. Е. Фермі.

    Випускникам технічних університетів при роботі в сучасних умовах, поза всяким сумнівом, доведеться активно використовувати досягнення нанотехнологій. Тому основи їх знань в цій області повинні бути закладені під час навчання у вузі. Це означає, що велика увага при підготовці майбутніх фахівців повинна приділятися сучасній фізиці і, в першу чергу, квантовій фізиці як фізичної основі нанотехнологій.

    ЛІТЕРАТУРА

    [1] Головін Ю.І. Нанотехнологічна революція стартувала! Природа, 2004, № 1, с. 1-16.

    [2] Пул Ч.-мл., Оуенс Ф. Нанотехнології. Москва, Техносфера, 2006, 336 с.

    [3] Кобаясі Н. Введення в нанотехнологію. Москва, БІНОМ, Лабораторія знань, 2005, 134 с.

    [4] Роко М.К., Вільямс Р.С., Алівісатос П. Нанотехнології в найближчому десятилітті. Москва, Мир, 2002 292 с.

    [5] Третьяков Ю. Д. Нанотехнології. Азбука для всіх. Москва, Фізматліт, 2008, 368 с.

    [6] Алфьоров Ж.І., Асєєв А.Л., Гапонов С.В. Наноматеріали та нанотехнології. Мікросистемна техніка, 2003 № 8, с. 3-13.

    [7] Alchalabi K., Zimin D., Kostorz G., Zogg H. Self-assembled semiconductor quantum dots with nearly uniform sizes. Phys. Rev. Lett, 2003 vol. 90, pp. 26104.

    [8] Курс лекцій. Наноматеріали та нанотехнології. rudos.exdat.com/docs/ index-60424.html

    [9] Вдовін Е.Е., Ханін Ю.М., Дубровський Ю.В. Візуалізація хвильових функцій електронів в InAs самоорганізованих квантових точках за допомогою магнітотуннельной спектроскопії. Успіхи фізичних наук, 2001., т. 171, № 12, с. 1365-1367.

    [10] Гусєв А.І. Наноматеріали, наноструктури, нанотехнології. Москва, Фіз-матла, 2007, 416 с.

    [11] Олейников В.А., Суханова А.В., Набієв І.Р. Флуоресцентні напівпровідникові нанокристали в біології та медицині. Російські нанотехнології, 2007, № 2, c. 160-173.

    [12] Дьячков П.Н. Електронні властивості і застосування нанотрубок. Москва, Біном. Лабораторія знань, 2011, 488 с.

    [13] Строганов А.А. Атомарна структура поверхні і сенсорні властивості вуглецевих нанотрубок. Автореф. дис. ... канд. техн. наук, 2007, 24 c.

    [14] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov. Science, 2004, vol. 306, no. 5696, pp. 666-669.

    Стаття надійшла до редакції 16.07.2013

    Посилання на цю статтю просимо оформляти наступним чином:

    Смирнов Е.В. Квантові об'єкти нанотехнологій: властивості, застосування, перспективи. Інженерний журнал: наука та інновації, 2013, вип. 6. URL: http: // engjournal.org.ua/catalog/nano/hidden/795.html

    Смирнов Євген Васильович народився в 1948 р, закінчив в МФТІ в 1972 р Канд. фіз.-мат. наук, доцент кафедри «Фізика» МГТУ ім. Н.е. Баумана. Автор понад 80 друкованих праць. Області наукових інтересів: когерентне взаємодія випромінювання з речовиною, месбауерівських дифракція, квантова фізика, нанотехнології. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: графа / ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ / ОБ'ЄКТИ НАНОТЕХНОЛОГИИ / КВАНТОВІ ТОЧКИ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити