Нанотехнология негіздері оқу құралы Алматы
Наноқұрылымдарының сызықты өлшемдері бойынша жіктелуі
жүктеу/скачать 3,31 Mb.
|
нанотех
| 1.7 Наноқұрылымдарының сызықты өлшемдері бойынша жіктелуі
Наноқұрылымдардың сызықтық өлшемдері бойынша айырмашылықтары оларды нөл-, бір-, екі- және үш-өлшемді етеді (сәйкес 0D-, 1D-, 2D- және 3D-нанобөлшектер). Нөлөлшемді наноқұрылымдарға нанобөлшектер, еркін және тұрақталдырылған кластерлерлер, фуллерендер және кванттық нуктелер жатады. Нанобөлшектер формальді максимальды өлшемі 100 нм-ге тең. Бұл кезде нанобөлшектердің анықтамасы олардың өлшемдерімен байланыстырылмайды, алоларда көлемдік фазалардың касиеттерінен айырмашылықтарға ие жаңа қасиеттердін пайда болуымен анықталады.Макроөлшемді заттар наноөлшемге өткенде олардың касиеттері кенеттен өзгерістерге ұшірайды - салыстырмалы беттік энергияның артуы мен оның беттiк керiлiмі, балқу температурасы және құрылымдық өту температуралары жоғарлайды. Сонымен қатар құрылымының өзі өзгеруі мүмкін, оның электрондық сипаттамалары да өзгереді, өйткені барлық спектрлерінің физикалық-химиялық қасиеттері басқаша болады. Құрылымы мен атомдарды тәртіппен орналасқан, дұрыс геометриялық формадағы нанобөлшектерді кластерлер деп атайды. 12-шыңды көп-бүйірлі дұрыс түрінде құрылған, тығыз буылған кластерлерде олардың өлшемдеріне байланысты 13, 55, 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869 атомдар саны болады. Бұл сандар кластерлердің ең тұрақты формаларына жауап береді, олар атап айтқанда және синтездеу процессі кезінде пайда болады, және «сиқырлы» атауына ие. Кластерлермолекулярлық кластерлерге, газдық, лигандсыз кластерлерге, коллоидтык кластерге, матрицалық кластерлерге және қатты денелі кластерлерге бөлінеді. Металдардың молекулярлық кластерлері, бұл көп ядролы кешенді құрылымдар, лигандамен қоршалған металл атомдарының арқауы түрінде болады. Молекулярлық кластер – бұл бөлшектер берілген ионға (немесе атомға) қосылуы нейтралды молекулалар немесе басқа иондар лиганда немесе кешенді құраушылары деп аталатын түзушілер нәтіжесінде пайда болады. Лиганд – бұл металл орталық атомдарымен бір немесе бірнеше тікелей байланысқан атом (ион) немесе молекуладан құралады (1.12 сурет).
Сурет 1.12 - Хром-карбонилі молекуласының құрылысы Cr(CO)6 Лигандсыз кластерлер(кластерлер, лигандтармен тұрақтандыруды талап етпейтін) металдық сол сияқты және металл еместер түрінде болады (2.8 сурет). Қалыпты жағдайда лигандсыз металдық кластрлердің диаметрі 30 нм кіші болса, онда олар тұрақсыз болады. Лигандсыз металл емес кластрлердің жарқын өкілі болып фуллерендер (С60, С70) саналады. Коллоидтық кластерлерхимиялық реакциялар нәтижесінде пайда болады және сұйық фазаға салыстырғанда гидрофильдік және гидрофобтық болып бөлінеді. Гидрофильдык кластерлердің гидрофобтік кластерларден айырмашылығы олар еріткіш молекуларының бетінде жұтылады. Гидрофильдік кластердің типтік өкілі болып кремний диоксиді, темір және басқа металдар болып табылады. Матрицалық нанокластерлердің өкілі болып бір-бірінен жекешеленген кластерлер болып табылады. Қатты фазаның матрицасына енген, агрегацияны болдырмайды. Қатты денелі кластерлер қатты фазада әр түрлі айналымдар нәтижесінде пайда болады (1.14-1.16 сурет). Көптеген қатты фазалық өзара әсерлесулер реакция өнімдерінің пайда болуымен іске асады және олар термиялық өңдеу кезінде өседі. Нанокластерлер техникада кеңінен қолданыс табуда, мысалы, органикалық синтезде жоғары каталитикалық қарқындалыққа ие өтпелі металдардың нанокластерлері қолданылады. Органикалық немесе силикаттық матрицада таралған, өзгеше оптикалық және жартылай өткізгіш материалдарының кластерлерінің электрондық қасиеттері физика және кішіөлшемді жүйелердің және сызықсыз оптика саласындағы зерттеушілердің назарын аударуда.
Фуллерендер – бұл көпжақты полиэдрлердің бетінде орналасқан жұп көміртегі атомдарынан құралған кластерлер, Белгілі С60 фуллерен молекуласының өлшемі 1 нм құрайды, ал молекуланың өзі футбол добы формасына ұқсас кеуек құрылымдағы ковалеттік байланыстағы көміртегінің 60 атомынан тұрады. Фуллерен – көміртегінің жаңа аллотропиялық модификациясы (түрленімі) болып табылады, оларда іс жүзінде кемшіліксіз шариктер Ван-дер-Ваальс күштерімен ұстасып тұрады. Ричард Бакминстер Фуллер (1895-1983) — америкалық сәулетші, дизайнер, инженер және өнер тапқыш. Фуллер ол жартылай сфера түріндегі тетрэдрлерден жиналған кеңістіктегі «геодезиялық күмбез»-дің конструкциясын ойлап тапты. «Геодезиялық күмбездер» Фуллерді халықаралық мойындауға алып келді. (1959-жылы Америкалық ұлттық көрмесі үшін Мәскеуде «Алтын күмбез» , 1967-жылы Монреалда Әлем көрмесінде АҚШ павильоны салынды. Фуллер Оңтүстік Иллиной Университетінің өнер және дизайн мектебінде 1959-жылдан 1970-жылдар аралығында оқытушы болып жұмыс атқарды. 1965-жылы Фуллер Парижде Халықаралық сәулетшілер одағы кездесінде ғылыми дизайнның Әлемді конжылдығын ашты, (1965-жылдан 1970-жылғадейін). Он жылдық өзінің жеке сөзі бойынша, ғылымның принциптерін адамзат проблемаларын шешуге бағытталды деп есептейді. 1.17 сурет - С60, С70, С90Фуллерендер өкілдері 1.18 сурет - Бакминстер Фуллердің Экспо-67 –дағы АҚШ павиьлоны – биосфера қабықшасы . Монреаль, Канада, 1967 1.19 сурет - Пирамидалықквантттықнүкте С60басқада фуллерендердің дөңес көп жақтылар формасындағы графитті гелий атмосферасында буландыру кезінде пайда болатын түрлері белгілі. Синтезде укезінде көбінесе С60 және С70 молекулалары сонымен бірге жоғарғы фуллерендерпайда болады. Фуллерен суданашар ериді және электр тоғын өткізбейді, бірақта фуллерен шарбетін ден емесе оның ішкі кеңістігі металл атомдарымен толуы олардың физикалық қасиеттерінің айтарлықтай өзгеруіне алып келеді, мысалы аса өткізгіштік қасиетке өтуі немесе магнетизмнің пайда болуы. Казіргі уақытта фуллерендерді наноэлектроникада, медицинада, техникада қолданудың барлық мүмкіндіктері қарастыруларда. Мысалы: жасанды алмаздарды синтездеудің негізіретінде, кванттық компьютерлік элементтері, жаңа электрондық приборларды жасау үшін, маталарды радиациядан қорғау үшін, сонымен бірге дәрілер құрамында және майлаушы заттар үшін. Кванттық нүктелер – бұл жасанды атомдар, олардың қасиеттерін басқаруға болады (Ж.И. Алферов). GaN жартылайөткізгіш бөлшектерін төсеніштерінде өсірілген және CdSe коллоидтікерітінділерікең тараған кванттықнүктеболыптабылады. Қазіргі уақытта кванттық нүктені алудың көптеген тәсілдері белгілі, мысалы оларды жұқа жартылайөткізгішті гетероқұрылымдардан нанолитография арқылы кесіп алуға болады, және жартылайөткізгіш материалдың бір түрін екінші басқа матрицада наноөлшемді қосылыстар түрінде түзуге болады. Молекулярлық-сәулелік эпитаксия әдісімен төсеніштің және қабықшаның элементар ұяшық параметрлерінің айтарлықтай өзгешеліктері болғанда төсеніште пирамидалық кванттық нүктелерінің артуына қол жеткізуге болады. Синтездеу процесін басқара отырып теориялық тұрғыдан кванттық нүктелердің берілген қасиеттері мен белгілі өлшемдерін алуға болады. Кванттық нүктелер лазерлерді дизайндау және дисплейлердің жаңа заманға сай түрлерін алуға мүмкіндік береді. Қарастырылып отырған кванттық нүктелер бірегей оптикалық қасиеттері медициналық зерттеулерде, кванттық компьютерлердің кубиттерін жасау және т.б. үшін кеңнен қолданылады. Бірөлшемді наноқұрылымдардың класы келесі нанообъекттер түрлерімен көрсетілген, наноөзектер, наножіптер және нанотүтікшелер. Наноөзектер үшін ұзындығының диаметріне қатысы кіші болуымен сипатталады: 10 тәртібінде, бұл кезде ұзындығы 1 –ден 100 нм дейінгі аралықта жайғасады. Наноөзектердің наножіптерден айырмашылығы олар мықты болады, және осы уақытта біршама серпімді болады. Металдық (Au, Fe, Cu, Ag және т.б.) және жартылайөткізгіштерді (ZnO, GaN, TiO2, SnO2 және т.б.) наноөзектерді алу үшін, әдеттегідей темплатты синтезді, литографияны, кристалдандыру әдістері қолданылады, Наноөзектерде атомдардың аз болуы және геометриялық анизотропиясы өлшемді эффекттердің көрінуіне алып келеді. Құрылымдық өлшемдi эффекттератом аралық қашықтықтардың өзгерiстері түрiнде, кристалды құрылымның қайта құрылуы арқылы заттың аморфтық күйге өтуіне дейiн айқындалады. Химиялық өлшемдi эффекттер кезінде заттың фазалық құрамы және оның рекцияға кірісу қабiлеттiлiгi өзгередi. Екi сипаттамалық өлшемдердiң болуы, металдық өзектердің жұтылу спектрлерінде және жартылай өткiзгiштердің наноөзектерінің шығару спектрлерiнде екi резонанстық жиiлiктердiң пайда болуына алып келедi, бұл оптикалық қосқыштарда және штрихкодтарда қолданыс табуы мүмкін. Бұдан басқа, наонөзектерді лазерлерді, детекторларды, жиiлiкті түрлендiргiштерде, толқын өткізгіштерінде, күн элементтерінде т.б. үшiн қолдануға болады. Наножіптер немесе вискерлер диаметрі бiрнеше нм-ден бiрнеше микронға дейінгі және 1000 шi ұзындығының диаметріне қатынасы 1000 –нан артығырақ жiп тәрiздi кристаллдар болып табылады. Бір өлшемді наноқұрылымды алу тәсілдерін наножіптерді алу үшін да қолдануға болады. 1.20 сурет – Әртүрлі пішіндегі алтын нанобөлшектерімен қапталған нано жіптер 1.21 сурет - Кішірейтілген(а) және үлкейтілген (b) СЭМ-фотосуреттері, ТЭМ (c және d)және Өте жұқа наножіптері алқап бөлімшелерінің жоғары ажыратудағы (e) ТЭМ көк рамкамен бөлінген суреттері. Фотосуреттердегі ендірмеде (c ) наножіптердің диаметрлерiнiң өлшемдері бойынша үлестiрiлуi көрсетiлген Вискерлер микроқұрылымдық ақаулардың аз мөлшерімен сипатталады, сондықтан олар ең жоғары тығыздыққа ие болады және оларды беріктеуші талшықтар ретінде қолданылады. Наножіптердің беттік ауданы үлкен сондықтан катализаторлар, сорбенттер, сүзгiлер үшін пайдаланудың келешегі зор. Көптеген сирек қолданылатын вискерлер олардың ғажайып берiктiгiне, иiлгiштiгіне және беттік ауданының үлкен болуы салдарынан болып табылады. Бұл қасиеттері олардың күштi анизотропиясына және диаметрінің кіші болуына негiзделген. Тұңғыш рет көмiртектi нанотүтікшелер 1991жылы NEC компаниясының (Жапония) зерханаларында графитті электр доғасында шаңдандыру жолымен алынды. Қазiргі уақытта газ фазасынан катализаторлардың қатысуы мен химиялық тұндыру жолымен, лазер абляциясы әдiсiмен темплаттарды қолдана отырып графиттен және көмiрсутектердеі синтездеудің әр түрлi әдiстерi әзірленген. Синтездің шарттарына байланысты бiр қабырғалы көмiртектi, өте жұқа және ұзын гексагональды көмiртектi тордан тұратын ұзын цилиндрларға ұқсас, және көп қабырғалы нанотүтікшелерді алуға болады. Графиті жазықтығынан «жолақты кесіп алуға» байланысты және оны орау тәртібі нанотүтікше диаметры кең аралықта 0,4 нм-ден 100 нм-ге дейін ал ұзындығы 1 нм-ден 100 мкм –ге дейінгі аралыкта өзгеруі мүмкін. 1.22 сурет - Жабық нанотүтікше 1.23 сурет - Айнымалы диамердегі нанотүтікше 1.24 сурет - Иілгеннанотүтікше Келешегі орасан зор жобалардың бiрi ғарыштық лифттің (жеделсаты) құрылысын іске асыру құбырлардың сирек кездесетiн механикалық берiктiгiне негізделген. Диаметрі адамның шашындай наноқұбырдан дайындалған «Микротрос» 100 кг жүкті ұстап тұру қабілеттілігі тәжірибеде дәлелденген. Казіргі кезде көмiртектi нано құбырлар негізінде, өріс транзистері және гетероқұрылымдық жартылай өткізгіштердің тәжірибелік үлгілері жасалынған, оларда металл жартылай өткізгіш жеке наноқұбыр шекерасында олардың құрылымында басқарылатын ақауларды жасау жолымен іске асырылады. Наноқұбырлық матрицада жұмыс істейтін бірінші жалпақ дисплейлердің прототиптері жасалынған.Мұндай дисплейлерде түтікшенің бiр жағына берілетін кернеудің әсерiнен оның екінші жағынан электрондар ұшып шығады. Олар фосфор сәулеленуші экранға түскенде пикселдiң сәуле таратуына алып келеді. Нәтижесінде түйін кескіндемесі iс жүзiнде және фантастикалық кіші бір микроннан аспайтын диаметрiмен анықталады. Келешегі зор және пайдалы көміртексіз наноқұбырлар да бар. Бірінші көміртексіз наноқұбырларды (MoS2 және WS2) 1992 - жылы Израиль ғалымы Р.Тенне синтез жасады. Синтездiң химиялық әдiсi көмегімен наноқұбылардың пайда болуы бастапқы заттардың су немесе сулы органикалық орталарда өзара әрекеттесудiң нәтижесiнде жүреді, қатты немесе газ фазасында, тұздар термолиздері нәтижесiнде іске асады. Нанотүтікшелерді қалыптастырудың темплаттық әдісі қатты заттардың бетiне белгілі форманы және наноөнімдердің өлшемдерін беретін нанобөлшектерді тұндыру болып саналады. Бұл кезде органикалық заттардың молекулалары темплата рөлін атқарады. Екi өлшемдi наноқұрылымдардың ішінде жұқа қабықшалар диаметрі 100 нм-ге дейінгі гетероқұрылымдары, Лэнгмюра-Блоджетт қабыршақтары нанопластина, адсорбциялық және өздігінен жиналатын моноқабаттар, сонымен қатар екі өлшемді массивтік объектілер, олардың өлшемдері нанометрлік аралығында жатады. Бiр молекуланың жұқалығындай өте жұқа қабыршақтар немесе бiрнеше атом қабаттары материалдардың беттік қәсеттерін түбегейлі өзгерту қәбілетіне ие: тұрақтылығын, бет керілімін, механикалық, адсорбциондық немесе адгезиялық қасиеттерін жақсартады. Монокристалдық төсенішке тұндырылған кристалдық заттардың кристалдық құрылымдары тұндырылатын заттардың құрылымына жақын, эпитакция құбылысын байқауға мүмкiндiк береді. Тұнтырылатын қабышқаның кристаллиттерінің бағыттары төсеніш монокристалдарының бағытына сәйкес келеді. Бір қатар эпитакциялық қабыршақтардың қосылыстарында көлемдік формада кездеспейтін кристалдық құрылымдардың қолданылуы мүмкін. Органикалық емес жұқа қабыршақтар және қаптамаларды әртүрлі әдістермен алуға болады. Оларды 2 топқа бөледі: химиялық (металлорганикалық қоспаларды бу фазасынан химиялык тұндыру әдісімен - MOCVD - Metal Organic Chemical Vapor Deposition), Ленгмюра-Блоджетт қабыршақтарды алу және тағы басқалар; физикалық жылулық шаңдандыру, импульсты лазерлік шаңдандандыру, электронды-сәулелік буландыру, магнетрондық шаңдандыру, молекулалық-сәулелiк эпитаксия әдiсі ж.т.б.). Физикалық әдiстермен қабыршақтарды тұндыру үшiн, әдеттегідей жоғарғы вакуум керек. Химиялық құрамы бойынша екі жартылай өткiзгiштердiң түйілісуін гетероөту деп аталады, ал бірнеше гетероөтулік жартылай өткiзгiштердің құрылымын гетероқұрылым деп атайды. Бұл кезде гетероқұрылымдардағы қабаттардың қалыңдығы 1-ден 50-ге дейн нм құрайды. Мұндай құрылымдарда өлшемдiк кванттану эффекті байқалады, сондықтан жоғары жылдам әрекеттегі және ақпараттық сыйымдылықтағы электрондық аппараттарды жасауға болады. Екiлік гетероқұрылымдық лазерлер ойнатқыштардың компакт-дисклерде қолданылады, ал гетероқұрылымдық күндік элементтер ғарыштық және жер бағдарламаларында кең қолданылады. Гетероқұрылымдар, ферромагнетиктiң (F) атом қабаттарының және асаөткiзгiштiк (S) кезектесуыменен пайда болған, бұл табиғатта кездеспейтiн қасиеттердi қамтамасыз етеді. Жалпы алғанда асаөткiзгiштiк және ферромагнетизм қарама-қарсы құбылыстар болып табылады: асаөткiзгiштiк магниттік өрісті итеруге ұмтылады (Мейснердiң эффектiсі), ал ферромагнитиктер керінше өрістің күш сызықтарын өзінің көлемінде жинауға ұмтылады. (магниттік индукция эффекті). Бұндай гетероқұрылымдар логика элементтер және жоғарғы өткізгішті қосқышары ретінде электроникада болашақта қолданылады. Сондай ақ асаөткiзгiштiк әлсіз сыртқы магнит өрісі жәрдемінде басқаруға болады. Лэнгмюр-Блоджетт қабықшасы моноқабат түрінде болады немесе заттың моноқабаттарының реттілігі. Мұндай қабықшаны алу үшін ванна астау тазартырлған суға толтырылған, беттік активті заттар (БАЗ) органикалық еріткіштерде және қатты төсеніштерде пайдаланды.БАЗ суға салдық. БАЗ-ның молекулалары суда батып кетпейды. Олар бетке салыстырғанда бір бағытта бағытталады. Жылжымалы барьерлерді колдана отырып, астаудағы су бетінің ауданын кішірейту болады. Су бетіндегі молекулаларды қысу арқылы және моноқабаттың жұқа қабырға пайда ете отырып, мономолекулярлық қабықшаларды қатты төсеніште ығыстыру ушін, ол суға моноқабаттар арқылы тік салынады және сонынан көтеріледі немесе бетке көлденең тиедi. Моноқабаттарды сығу дәрежесін өзгеруі симметрияны және элементарлық ұяшықтардың параметрлерiн, тәртіптелген домендердегі тізбектердің өзара қиылысуды өзгертедi. Моноқабаттарды ізбе із жылжыту арқылы көпқабатты наноөлшемді қабыршақты даярлауға болады. 1.25 сурет - Ленгмюр– Блоджеттiңқабықшаалуынмаңыздысхемасы 1.26 сурет - Ленгмюр-Блоджетт қабықшасының шалағайқысымға байланысты күйi Үш өлшемдi наноқұрылымдарға нанокомпозиттерді және үш өлшемдi нанообъекттердi жатқызуға болады. Композиттер деп қоспалардан немесе екі түзушілерден құралған материалдар айтылады, олар формасы бойынша, химиялық құрамы және олар бір бірінде ерімейды. Әдеттегiдей композиттер өздерін түзушілермен салыстырғанда айтарлықтай жоғары қасиеттерге ие болады. Нанокомпозиттер бірінші ретте жақсартылған механикалық қасиеттергі үшін зерттеледі. Нанокомпозиттік материалдың ең кең тараған түрлері армирланған наноталшықтармен пластикалар, металлдар және керамикалар болып табылады.Өнеркәсiптерде пластмассалар шыны талшықтармен армирланған немесе көмiртектi қабырлармен армирланған пластмасса өндiрiп алады. Нанокомпозиттердiң басқа түрлерін органикалық емес және органикалық және органикалық материалдар құрайды. Оларда органикалық және органикалық емес түзушілері нанометрлік деңгейде бір біріне енеді. Нанокомпозиттер металдық немесе оксидтік нанобөлшектердің ансамбелдерінен тұратын жеке топтарға бөлінеді, қатты денелерде матрицаларда оқшауланған. Демек, соңғы жылдары зерттеушілердің назары алдын ала белгілі қасиеттер мен өлшемдегі нанобөлшектерді алуға бағытталған, яғни белгілі физика-химиялық қасиеттерді зерттеуге. Нанобөлшектерді алудың барлық әдістерін екі үлкен топқа бөлуге болады: «Төмен-жоғары» әдістері - нанобөлшектердің өсуімен сипатталады немесе нанобөлшектерді жеке атомнан жинау. «Жоғардан-төменге» әдісі бөлшектерді наноөлшемдерге дейін бөлуге негізделген. Сондықтан нанометр өлшем жүйеге өткен кезде қатты дене квазибөлшектерге квантты механикалық табиғаты анық белгі бері бастайды. Нәтіжесінде принципиальды жаңа жағдай орындалады: кванттык эффекттер (өлшемдік кванттану, конфайнмент, туннелдену, электрондық күйлердiң интерференция тағы басқалар) физикалық процесстерде және олардың негізінде жабдықтардың жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады. Көптеген наномасштабтағы жаңа физикалық кұбылыстарда қозғалысы тек кванттық физикаға тәуелді бөлшектердің толқындық қасиеттері (электрондар, т.б.) орын алады. Олардың өзгерістері кванттық механика заңдарына бағынады. Мысалы, жартылай өткізгіштердің заряд тасымалдаушылардың өлшемі де- Бройль толқын ұзындығынан кіші болса, мұндай құрылым резонаторға айналады, ал заряд тасымалдаушы спектрi дискреттi болады. Рентгендік айналары рентген сәулену фазасында шағыстыру қасиетіне ие болады. Ол нанометрлік қалыптықтағы қабаттардан дайындалады. жүктеу/скачать 3,31 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|