Программа элективного курса для учащихся 10-х и 11-х классов естественнонаучного профиля. Учитель физики и астрономии школы №1151, к ф. м н. Б. Ф. Мочалов, методист по физике омц зелао и. П. Кутко
| Вид материала | Программа |
- Программа элективного курса для учащихся 11-х классов естественнонаучного профиля., 107.85kb.
- Веденеева Татьяна Анатольевна учитель физики моу сош №7 г. Владимира 2007 г пояснительная, 119.5kb.
- Рабочая программа учебного курса, предмета, дисциплины (модуля) по физике для 10-11, 390.14kb.
- Программа элективного курса для учащихся 10-11-х классов "Наследственность и здоровье", 261.54kb.
- Рабочая программа предпрофиль по физике, 9 класс. «Может ли физика помочь мне познать, 104.91kb.
- Программа элективного курса Ставрополь, 186.92kb.
- Программа элективного курса «Химия для любознательных», 49.97kb.
- Программа элективного курса, 68 часов в год (2 ч/нед.). 10-й класс Пояснительная записка, 276.21kb.
- Программа курса «Методы решения задач по физике» (10кл, 34 часа), 120.73kb.
- Программа элективного курса для учащихся 11 классов «Решение задач с параметрами», 107.67kb.
«Введение в мир нанотехнологий».
Программа элективного курса для учащихся 10-х и 11-х классов естественнонаучного профиля.
Учитель физики и астрономии школы № 1151, к.ф.-м. н. Б.Ф. Мочалов,
методист по физике ОМЦ ЗелАО И.П. Кутко.
Пояснительная записка.
Продолжительность курса составляет один год, в объеме 72 часа, одно двухчасовое занятие в неделю. В средней школе курс «Введение в мир нанотехнологий» адресован хорошо успевающим учащимся 10-х и 11-х классов по предметам естественнонаучного цикла: математика, физика, химия, биология, география.
Нанотехнология – это сумма технологических приемов и методов обработки материалов, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами, а также с отдельными биологическими объектами с целью получения новых материалов, приборов и устройств, формирования приборных структур с характерными размерами порядка 10-100нм. Нанотехнология является междисциплинарной наукой, находящейся на стыке физики, химии, биологии, математики, вычислительной техники, материаловедения и других областей знания. Сегодня очертить границы использования известных технологических процессов в нанотехнологии очень трудно. Говорить же о границах завтрашнего дня еще сложнее. Технология создания материалов и элементов микроэлектроники придерживается стратегии «сверху вниз» (top – down). Это означает, что уменьшение размеров элементов интегральных схем приводит к увеличению их функциональной сложности, быстродействия и снижению стоимости. При этом физические принципы функционирования интегральных схем не претерпевают существенной коррекции. Переход элементов интегральных схем к наноразмерам качественно меняет принципы функционирования транзисторных и других элементов. Сложные наноэлектронные системы логично создавать в соответствии со стратегией «снизу вверх» (bottom-up). Такая стратегия требует совершенно новых подходов. В этом случае используются атомно-молекулярные блоки, которые формируют наноэлектронные системы путем самосборок и самоорганизации сложных структур.
Цель курса «Введение в мир нанотехнологий» - ознакомительная. Показать выпускникам школы таинственную привлекательность «пограничья» между макро- и микромирами, где возникает самоорганизация сложных атомно-молекулярных структур. Расшевелить их воображение свойствами кристаллов и кристаллитов, кластеров, углеродных нанотрубок, гетероструктур, сверхрешеток, фуллеренов, фотонных кристаллов, поверхностно-активных веществ и т. д. Акцент в курсе сделан на вклад в изучение наномира исследователей Российской школы: Г.Гамова, И.Пригожина, Ж. Алферова, и других.
Задача курса достаточно амбициозна: помочь старшеклассникам не только расширить свой кругозор, увидеть пройденные разделы физики, химии, биологии под углом решения насущных прикладных задач, но и сделать очень трудный шаг вперед от юношеской заинтересованности к творческому интересу. В развитых странах уже в недалеком будущем вполне осознанно ожидают ускорения научно-технического прогресса от результатов работ в области нанотехнологии. В России этому перспективному направлению также уделяется значительное внимание, особенно в области научных разработок. В высшем образовании сформировано направление подготовки «нанотехнология» и разработан Государственный образовательный стандарт. На государственном уровне предпринимаются все усилия для того, чтобы новое поколение исследователей и инженеров освоило и развило новые идеи наноэлектроники для того, чтобы вывести страну на ведущие позиции в мировом сообществе.
Предполагаемые результаты. Закончить курс предлагается деловой игрой. Проведением эвристического конкурса проектов внедрения приглянувшихся слушателям нанотехнологий. В проектах нужно указать место внедрения, сроки, предположительные затраты, сроки окупаемости и оценить доходность проекта. Победитель конкурса – наиболее быстро разбогатевший «предприниматель». Успехи электроники сегодняшнего дня поражают специалистов смелостью решений, надежным воплощением в кремнии и металле новых идей с помощью филигранной планарной технологии. Но специалисты видят уже физические и технологические барьеры и пределы, к которым уверенно приближается микроэлектроника. Великий Ричард Фейнман еще в 1960 году сказал: «Внизу полным полно свободного места: это приглашение в новый мир физики». Он имел в виду мир нанометрового масштаба, в котором стыкуются объекты неживой и живой природы. Это уже приборы другого мира, где закон Ома не действует, где гальванические связи заменяются новыми, где электрон «работает» не частицей, а волной и переносит не заряд, а волновую функцию. Бит информации может определяться направлением вектора «спина» электрона.
Учебно-тематическое планирование курса «Введение в мир нанотехнологий»
(72 часа).
| № | Тема занятия | Лекция, час | Семинар, час |
| | 1 блок. Введение в наномир. | 6 | 6 |
| 1 | Наномир! Где он? | 1 | 1 |
| 2 | Условное деление мира: мегамир, макромир, микромир. Фундаментальные взаимодействия в этих мирах. | 1 | 1 |
| 3 | Наномир – пограничная область между макро и микромирами. Переходная область между классической и квантовой механикой. | 1 | 1 |
| 4 | Размерные эффекты. Волны де Бройля, комптоновская длина волны. Радиус экранировки Дебая. | 1 | 1 |
| 5 | Формирование микро- и наноструктур. Поверхность – граница раздела между двумя контактирующими средами | 1 | 1 |
| 6 | Атомная структура поверхностного слоя: электронные свойства, оптические свойства, магнитные свойства массоперенос на поверхности, межфазные характеристики. | 1 | 1 |
| | 2 блок. Самый короткий путь в наномир. | 10 | 9 |
| 7 | Исследование поверхности методом зондовой микроскопии. Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) и атомно-силовые микроскопы (АСМ). Туннельный ток. | 1 | 1 |
| 8 | Зондовые микроскопы: конструкция, основные компоненты, характеристики. | 1 | 1 |
| 9 | Процессы формирования наноразмерных структур с помощью проводящего зонда. | 1 | 1 |
| 10 | Физико-химические эффекты в зондовой нанотехнологии. | 1 | 1 |
| 11 | Концепция зондовой нанотехнологии в газовых и жидких средах. | 1 | 1 |
| 12 | Контактное и бесконтактное формирование рельефа на поверхности подложки. | 1 | 1 |
| 13 | Локальная «глубинная» модификация поверхности полупроводнрковых подложек. | 0,5 | 0,5 |
| 14 | Локальная электродинамическая модификация поверхности полупроводнрковых подложек. | 0,5 | 0,5 |
| 15 | Межэлектродный массоперенос с нанометровым разрешенрем. | 1 | 1 |
| 16 | Электрохимический и газотранспортный массоперенос. | 1 | 1 |
| 17 | Локальное анодное окисление. | 1 | |
| | 3 блок. Наноструктурные функциональные конструкционные материалы. | 7 | 7 |
| 18 | Атомы, ионы и молекулы. | 1 | 1 |
| 19 | Кристаллы и кристаллиты. Поликристаллы. Аморфные среды. | 1 | 1 |
| 20 | Кластеры | 1 | 1 |
| 21 | Углеродные кластеры | 1 | 1 |
| 22 | Углеродные нанотрубки и их свойства. | 1 | 1 |
| 23 | Квантовые наноструктуры: яма, проволока, квантовая точка. | 1 | 1 |
| 24 | Самоорганизация и самосборка наноструктур. | 1 | 1 |
| | 4 блок. Элементы и приборы наноэлектроники. | 8 | 8 |
| 25 | Транзисторы. Кремниевая основа. КНИ-транзисторы. Транзисторы с двойным затвором. | 1 | 1 |
| 26 | Гетеротранзисторы. Молекулярная эпитаксия. Транзисторы полевые,HEMT, МODFET | 1 | 1 |
| 27 | Резонансно-туннельные транзисторы. Транзистор на квантовых точках. | 1 | 1 |
| 28 | Углеродная наноэлектроника. Нанотранзисторы на основе углеродных трубок. Инверторы. | 1 | 1 |
| 29 | Квазиоднородные проводники, как активные элементы наноэлектроники на углеродных трубках. | 1 | 1 |
| 30 | Квазиоднородные проводники, как активные элементы наноэлектроники на на квазиоднородных металлических проводниках. | 1 | 1 |
| 31 | Квазиоднородные проводники, как активные элементы наноэлектроники на основе полимерных полупроводников. ДНК, как компонент наноструктур. | 1 | 1 |
| 32 | Квантовая наноэлектроника. Структуры с пониженной размерностью. Лазерные наноструктуры. Фотоприемники на квантовых точках. | 1 | 1 |
| 33 | Экскурсии | 5 | |
| 34 | Конференция | | 6 |
| | Итого: 72 часа | 36 | 36 |
Краткое содержание курса.
Занятие 1 – 8. Квантово-полевая картина мира. Состояние и движение микрообъектов материального мира. Законы квантовой механики – фундамент изучения строения вещества. Гипотеза М.Планка. Универсальный характер корпускулярно-волнового дуализма в микромире, волны Л. де Бройля. Микромир – область материальных объектов в диапазоне 10-8 – 10-16 см, время жизни – от бесконечности до 10-24 секунд. Макромир – объекты, соизмеримые с человеком по масштабам. Мегамир – сфера космических масштабов.
Занятие 9 – 12. Поверхность – граница раздела между двумя контактирующими средами. Атомная структура поверхностного слоя: электронные свойства, оптические свойства, магнитные свойства, массоперенос на поверхности, межфазные характеристики. Процесс эпитаксии. Адсорбция.
Занятие 13 – 31. Возникновение и развитие нанотехнологий.
Два поколения сканирующих зондовых микроскопов. К первому поколению относятся сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Жидкостные, воздушные, вакуумные и сверхвысоковакуумные варианты приборов.
Принцип работы СТМ. Микроигла, туннельный ток, физический рельеф Применение СТМ ограничивается проводящими поверхностями, и исследования, в основном, имеют чисто научное значение. Атомно-силовые микроскопы (АСМ), кантилевер. со специальными покрытиями, вибрирующие кантилеверы и т. п. Моделирование процессов и исследование свойств поверхностей. Зондовые микроскопы - физические и метрологические инструменты следующего столетия. Корпорация МДТ. Основные направления бизнеса - молекулярные технологии. НТ-МДТ является дочерней компанией корпорации МДТ и специализируется на производстве оборудования для молекулярных технологии - сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), изделий кремниевой микромеханики для нанотехнологии.
Занятие 32 – 45. Фуллерены - одна из форм существования углерода в виде сферических молекул состава C60 или C70 - обнаружены в 1985 году американцами Робертом Керлом, Ричардом Смоли и британцем Харольдом Крото (Нобелевская премия по химии в 1996 году). Кстати, в начале 1970-х возможность существования фуллеренов была теоретически предсказана российскими учеными. Углеродные же нанотрубки в 1991 году обнаружил японский химик Сумио Иджима, изучая осадок, полученный после распыления графита в электрической дуге. Электронные свойства нанотрубок сильно зависят от их диаметра, количества слоев углерода, а также наличия в трубках дефектов и примесей. Самоорганизация и самосборка наноструктур.
Занятие 46 – 61. Транзисторы. Кремниевая основа. КНИ-транзисторы. Резонансно-туннельные транзисторы. Транзистор на квантовых точках. Углеродные нанотрубки - перспективные материалы для замещения активных элементов современной полупроводниковой электроники. Многоядерные процессоры, требования к производительности компьютеров. Для создания радиационостойкой и термостойкой элементной базы наноэлектроники одним из перспективных материалов являются алмазоподобные структуры.
Промышленное применение сканирующих зондовых микроскопов:
межоперационный контроль пластин, тестирование и коррекция СБИС; промышленное производство цифровых видеодисков DVD и CD, выборочный контроль качества магнитных покрытий;
оптическая промышленность - контроль качества обработки стекла, лазерных зеркал;
промышленность полимеров - контроль качества и идентификация полимерных материалов;
Занятие 62 – 66. В дни школьных каникул организуются экскурсии в МГИЭТ(ТУ) с посещением отраслевых лабораторий и кафедр, где ведутся разработки в области нанотехнологий. В последние годы именно эти подразделения получили наиболее мощную поддержку в рамках ПНПО и располагают самым совершенным и современным оборудованием (факультет ЭКТ) установками молекулярно-лучевой эпитаксии, сканирующими туннельными микроскопами, атомно-силовыми микроскопами и др.
Занятие 67 – 72. Конференция. Защита проектов.
Методические рекомендации.
Условно курс состоит из двух встроенных компонент: знакомые, пройденные явления и углубленно прикладные новые знания. Логично первую компоненту преподавать в виде диалога – семинара под девизом «Давайте вспомним!», вторую – под девизом «Теперь посмотрим глубже и подумаем, где это можно использовать?». Объекты наномира комплиментарны и «склонны» к самоорганизации. Нанотехнологии – отчаянная попытка человечества осознанно, где это возможно, улучшить (организовать) условия для активизации процесса самоорганизации населения наномира и использовать то, что получится!
Занятия по курсу «Введение в мир нанотехнологий» проводятся по лекционо-семинарской методике. Курс составлен по «блочному» принципу. В настоящем курсе разработаны четыре блока, но можно разработать химико-технологический, биолого-технологический и ряд других блоков, которые естественно дополнят предлагаемый курс.
Наноразмерные объекты не даны человеку в ощущениях, поэтому курс требует серьезных технических средств: компьютер, проектор с качественным интерфейсом. Наглядность предполагается обеспечить изготовлением плакатов, изготовленных методом цифровой репродукционной съемки. Перед проведением семинара слушатели получают набор контрольных вопросов, которые будут обсуждаться на семинаре. Подобная система широко используется при чтении факультативных курсов в ВУЗах и направлена на увеличение мотивации к занятиям и работе с рекомендованной литературой.
Ниже приводятся примеры вопросов, которые могут быть предложены слушателям.
Блок 1, блок 2.
- Приведите примеры характерных масштабов пространства и времени для мега-, макро- и микромиров.
- Приведите примеры характерных масштабов нанообъектов живой и неживой природы.
- Что такое поверхность и какова ее роль в формировании наноструктур?
- Как вы представляете себе атомную структуру поверхностного слоя?
- Расскажите о процессе эпитаксии.
- В чем особенности процессов физической и химической адсорбции?
- Расскажите об электронных свойствах поверхности.
- Что такое поляритон? Какие квазичастицы вы еще знаете?
- Какие межфазные характеристики вы знаете? Расскажите о них.
- Почему капли, пузыри, мицеллы имеют форму шара?
Блок 3.
1.Что такое термодинамическое равновесие? Приведите примеры.
2.В чем заключается принцип локального равновесия?
3.Напишите уравнение термодинамического движения.
4. Сформулируйте теорему Пригожина.
5. Напишите соотношение взаимности Онзагера.
6. Как вы понимаете процесс самоорганизации?
7. Расскажите об опытах Бенара.
8. Расскажите о пороговом характере процессов самоорганизации.
9. Объясните значение термина «синергетика».
Блок 4.
1.Что такое кластеры? Как они формируются?
2.Что такое фуллерены и какова их структура? Как их получают?
3. Что представляют собой нанотрубки?
4. Расскажите о свойствах углеродных нанотрубок.
5. Какие квантовые наноструктуры Вы знаете?
6. Что такое квантовая точка и какими свойствами онаобладает?
7. Как сформировать квантовые точки?
8. Что такое метод молекулярного наслаивания?
9. Что представляют собой фотонно-кристаллические волокна?
10. Что такое фотонный кристалл?
11. Где используются фотонные кристаллы?
12. Можно ли позолотить спираль ДНК?
Образовательные ресурсы.
Кинофильмы.
1.«Россия на пороге нанотехнологий» - серия «Очевидное-невероятное»,
2.«Загадочный наномир». Великобритания. Материалы презентации международной конференции по нанотехнологиям.
Научная литература.
-
Пул Ч., Оунс Ф.Нанотехнологии. М., Техносфера, 2004.
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Учебное пособие. М. ИЦ «Академия». 2005.
Пригожин И. От существующего к возникающему.Время и сложность в физических науках. М., Наука, 1985.
-
Нанотехнологии в электронике. Под ред. Ю.А. Чаплыгина. МюЮ Техносфера. 2005.
Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров. М., Ком-книга. 2006.
Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. Уч. Пособие.М., Университетская книга. Логос. 2006.
-
Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. М., Техносфера. 2005.
Нолтинг Б. Новейшие методы исследования биосистем. М., Техносфера. 2005.
Щука А.А. Наноэлектроника. М.,Физматкнига. 2007.
-
Николас Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. От диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. М., Мир. 1998.
Алферов Ж.И. История и будущее полупрводниковых гетероструктур.Ф.Т.П.1998, т.32 №1
-
Ежовский Ю.К. Поверхностные наноструктуры – перспективы синтеза и использования. Соровский образовательный журнал.2000, т.6 №1
Симан Н. Нанотехнология и двойная спираль. В мире науки.2004. №9.
-
Ролдугин В.И. Квантоворазмерные металлические коллоидные системы. Успехи химии.2000 69(10).
Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности (Опубликовано в журнале "Компьютерра" №41 от 13 октября 1997 года)
Интернет-ресурсы.
Корпорация МДТ, 103460 Москва - Зеленоград, Гос. НИИФП
http:\\www.ntmdt.ru
www/nanometer.ru некоммерческий портал «Нанометр»,
www.nanorf.ru портал «Российские нанотехнологии»
Журнал «Компьтерра». computerra.ru
Приложение.
От "экономики трубы" к инновационному пути развития
Автор: Георгий Малинецкий (Опубликовано в журнале "Компьютерра" №46 от 13 декабря 2006 года).
Почти 2/3 территории страны находится в зоне вечной мерзлоты. Это и определяет особое отношение нашей страны к НТР. Если мы не хотим проедать достояние детей и внуков, то должны обогревать, кормить, лечить и защищать себя сами. При 30% запасов мировых богатств доля России в глобальном валовом продукте составляет 1%. Поэтому естественная ниша России - в мировом разделении труда - высокие технологии, активное использование человеческого капитала, что позволяет производить то, чего не умеют другие. Огромные усилия в то, чтобы убедить в необходимости самого активного участия России в НТР, вкладывает депутат Государственной думы и нобелевский лауреат Жорес Алферов. Он апеллирует к рациональному мышлению: "Ни металл, ни нефть, ни все остальные природные богатства не могут обеспечить прочную базу современного государства, способного реагировать на любые угрозы и вызовы". Он сравнивает стоимость одной тонны продукции в разных секторах экономики: "машина "Волга" в 80-е годы стоила примерно столько, сколько сто тонн проката, а одна тонна компьютеров в 90-е годы примерно стоила столько, сколько сто "Волг". Один килограмм изделий микроэлектроники эквивалентен по стоимости ста тоннам нефти".
Новости(Опубликовано в журнале "Компьютерра" №32 от 05 сентября 2007 года)
«Заколи микроба».
Важный доклад сделали химики из Йельского университета на очередной конференции Американского химического общества, прошедшей в конце августа в Бостоне. Оказывается, хорошо очищенные однослойные углеродные нанотрубки обладают выраженной противомикробной активностью.
Биологическое действие углеродных нанотрубок давно является предметом широких исследований и жарких дебатов. В основном ученые пытались понять, могут ли нанотрубки причинить вред клеткам животных и человека. Химики из Йеля тщательно очистили нанотрубки от примесей, среди которых часто встречаются токсичные атомы металлов. Кроме того, они использовали нанотрубки только определенного диаметра, от самых тонких однослойных, диаметром около нанометра, до многослойных, которые были на порядок толще. Благодаря этим предосторожностям ученым, по-видимому, впервые удалось получить надежные данные о действии нанотрубок на микроорганизмы.
В экспериментах использовались хорошо изученные бактерии кишечной палочки. Нанотрубки плавали в растворе или покрывали фильтровальную бумагу. В обоих случаях при контакте с однослойными нанотрубками большая часть бактерий быстро погибала. С помощью сканирующего электронного микроскопа удалось установить, что у убитых бактерий сильно повреждена клеточная мембрана. По-видимому, решили ученые, при контакте нанотрубки вспарывают мембрану бактерий, не оставляя им никаких шансов на выживание. В случае же многослойных нанотрубок, чем они были толще, тем слабее влияли на бактерии. Вероятно, толстым нанотрубкам гораздо труднее проткнуть оболочку клеток.
Эта работа произвела сильное впечатление на специалистов. С одной стороны, теперь ясно, что, покрыв однослойными нанотрубками поверхность, можно защитить ее от микробов. Но с другой - если такие нанотрубки попадут с отходами производства или с отработавшей свой срок продукцией в какую-то экосистему, то как они повлияют на ее дальнейшее развитие? И если нанотрубки убивают бактерии, то как они подействуют на клетки человека? Какие меры следует предпринять, чтобы избежать их вредного действия на производстве и в готовой продукции? К поиску ответов на эти вопросы и к тщательной проверке результатов нашумевших исследований теперь и предстоит приступить научному сообществу.
«Опал не пропал».
Первый рабочий прототип цветного дисплея на фотонных кристаллах удалось изготовить специалистам Торонтского университета при поддержке британских коллег. Еще одна перспективная технология, обещающая недорогие, тонкие, гибкие и потребляющие мало энергии дисплеи любых мыслимых размеров, вышла на финишную прямую коммерциализации.
Доведением технологии до потребителей займется молодая канадская компания Opalux. Такое название она получила потому, что основной рабочий элемент экрана - фотонный кристалл в виде тонкой пленки из нескольких слоев кварцевых микросфер, регулярно расположенных в полимерной матрице, - по структуре очень похож на драгоценный опал. В зависимости от расстояния между микросферами пленка способна либо полностью пропускать свет, либо отражать его в заданном узком диапазоне длин волн, который может лежать не только в любой части видимого спектра, но и захватывать часть ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучения. А изменять расстояние между микросферами можно, попросту сжимая кристалл механически.
Пленочный дисплей работает в отраженном свете, как обычная бумага. Пленку (фотонный кристалл вместе со слоем специального полимера, который расширяется под действием приложенного напряжения) помещают между двумя электродами на черной или белой подложке. Верхний электрод прозрачен. Меняя напряжение на электродах от нуля до трех вольт, нетрудно добиться, чтобы кристалл отражал свет нужного цвета или оставался прозрачным - тогда экран будет черным или белым в зависимости от подложки. На каждом пикселе можно получить все цвета радуги, но нельзя получить белый цвет, если подложка черная, или сложный цвет, генерируемый смешением трех основных цветов. Впрочем, их можно смешать как обычно, разложив цвета по трем соседним пикселам.
«Электронная усушка». (Опубликовано в журнале "Компьютерра" №44 от 29 ноября 2006 года).
Оригинальный метод "вытяжки" углеродных нанотрубок до нужных размеров разработали физики из Калифорнийского университета в Беркли. Метод позволяет изготавливать нанотрубки точно "на заказ" и контролировать их электронные свойства. Сегодня при изготовлении экспериментальных электронных устройств из углеродных нанотрубок ученым слишком часто приходится надеяться на удачу. Дело в том, что электронные свойства нанотрубок сильно зависят от их диаметра, количества слоев углерода, а также наличия в трубках дефектов и примесей. А основные технологии получения нанотрубок - метод осаждения паров углерода или возгонки и перекристаллизации графита - не свободны от недостатков. Химические методы изготовления нанотрубок позволяют добиваться нужных диаметров, но в таких трубках образуется слишком много дефектов. А в трубках, полученных из чистого графита, мало дефектов, но их диаметр, как правило, непредсказуем.
Теперь ученые научились уменьшать диаметр нанотрубок до заданного. Для этого раствор нанотрубок помещают на кремниевую пластину, с помощью электронного микроскопа отбирают из них подходящую и присоединяют ее концы к золотым контактам. Эту нанотрубку затем обстреливают быстрым пучком просвечивающего электронного микроскопа. Электроны пучка выбивают атомы углерода со своих обычных мест в углах регулярной структуры стенок нанотрубки и заставляют их мигрировать вдоль трубы, собираться в кучи, выстраиваться в другом порядке. При этом форма трубы заметно меняется, и труба даже может совсем разрушиться. Но если одновременно через присоединенные к трубке золотые контакты пропускают электрический ток, то он заставляет атомы углерода вновь выстраиваться в регулярную структуру, быть может, меньшего диаметра. Этот процесс, который удивляет даже видавших виды специалистов, позволил в экспериментах постепенно уменьшить диаметр нанотрубки от 16 до 3 нанометров.
К сожалению, новый метод плохо приспособлен для массового производства наноустройств и даже в лабораторных условиях его реализовать пока не просто. Однако сама возможность подогнать диаметр нанотрубки позволит ученым решить массу экспериментальных проблем. А там и приемлемая модификация метода для массового производства, быть может, отыщется.
«Движение по спирали». (Опубликовано в журнале "Компьютерра" №21 от 09 июня 2007 года).
Исследователи из университетов Калифорнии (Сан-Диего) и Южной Каролины создали углеродные нанотрубки и нановолокна спиральной формы, напоминающие пружины. Оказалось, что в наномасштабе переход от обычной прямолинейной формы к спиралевидной существенно сказывается на параметрах электропроводности нанотрубок. Манипулируя этими различиями, ученые надеются создать компоненты для наноэлектроники. В частности, спиральные нанотрубки могут стать основой логических элементов и накопителей данных.
Как говорят разработчики, будет ли нанотрубка спиралевидной или прямолинейной, определяется наличием лишь единичных атомов углерода, расположенных в критически важных для этого местах нанотрубки, которые получают методом осаждения из газовой фазы. Форма трубок и их "качество" контролируются с помощью электронной микроскопии. Работа группы калифорнийских ученых увенчалась открытием фундаментальных основ, определяющих форму трубок, и благоприятных условий для получения нелинейной формы. Зная ключевые факторы роста спиралевидных трубок, можно точно контролировать их электрические свойства. Но пока до реализации конкретных практически значимых проектов на основе наноспиралей еще далеко, и исследователи занимаются изучением способов объединения трубок в функциональные устройства.
Ранее эти научные группы уже отличились в манипулировании формами нанообъектов: в 2005 году они получили нанотрубки, по форме напоминающие букву Y, этакие углеродные "штаны" на микроуровне. Оказалось, что такие трубки обладают свойствами обычных транзисторов, используемых в современной микроэлектронике.
«Тянемся в ширину». (Новости "Компьютерра" №18 от 13 мая 2008 года)
Необычную бумагу из свитых углеродных нанотрубок изготовили ученые Техасского университета. При растяжении она увеличивается в размерах также и в поперечном направлении. Такие странные материалы, называемые ауксетиками, встречались ученым и раньше среди горных пород, живых тканей и пластиков. Но крайне редко. В их сложной внутренней структуре было что-то похожее на раздвижную решетку. Диковинную бкмагу ученые изготовили путем осаждения углеродных нанотрубок из водного раствора на подложку и последующего высушивания. Модель внутренней структуры нанобумаги предполагает, что бумага состоит из соединенных друг с другом слоев нанотрубок, заплетенных в нечто похожее на раздвижные решетки. Из такой бумаги получатся прекрасные сальники, уплотнения, искусственные мускулы, сверхчувствительные сенсоры.
Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности, выдержки. (Опубликовано в журнале "Компьютерра" №41 от 13 октября 1997 года)
Возникновение и развитие нанотехнологий связано с открытием физиками из швейцарского отделения компании IBM сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов (1981-1986 гг.).
К настоящему времени сменилось уже два поколения сканирующих зондовых микроскопов. К первому поколению относятся сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Они были изобретены в 1981 году как сверхвысоковакуумные приборы, на которых впервые было получено атомарное разрешение при исследовании поверхности кристаллических образцов. Также были созданы и получили распространение жидкостные, воздушные, вакуумные и сверхвысоковакуумные варианты приборов.
Принцип работы СТМ - это регистрация туннельного тока между проводящим образцом и микроиглой. Микроигла формирует туннельный ток, локализованный на малой площади. Например, если микрозонд удален на фиксированное расстояние от поверхности, то высота физического рельефа в исследуемой точке определит величину туннельного тока. Контролируя при сканировании фиксированную величину туннельного тока за счет вертикального перемещения микрозонда, определяют микрорельеф поверхности. Применение СТМ ограничивается проводящими поверхностями, и исследования, в основном, имеют чисто научное значение. Кроме того, интерпретация СТМ-данных не однозначна - ток зависит не только от расстояния, но и плотности электронных состояний, энергии связи электронов, присутствия адсорбционных слоев.
В 1986 году были изобретены атомно-силовые микроскопы (АСМ) названные так, поскольку с их помощью регистрировались силы межатомного взаимодействия, так называемой силы ближнего поля. Они были построенные подобно патефону. Острая игла на пружинке скользит вдоль поверхности и отклонение пружинки при этом измеряется. Первоначально пружинки изготавливались из тонкой платиновой фольги, и к ним приклеивалась острая маленькая иголочка - кантилевер, выбранная, например, из разбитого монокристалла сапфира. Одно из основных требований к кантилеверу - его острие должно быть предельно острым: заканчиваться единичными атомами. Промышленная технология производства таких кантилеверов была создана в 1990 году. С 1993 года стало развиваться новое поколение приборов, использующее в своей работе так называемый многомодовый режим. Суть этого режима заключается в том, что он позволяет как бы "сделать видимым" не только микрорельеф поверхности, но и другие ее характеристики, например, магнитные или электрохимические свойства, вязкость, осуществить регистрацию фото-, электро-, химо-люминесценции, в том числе низкотемпературной, регистрации поверхностных плазмонов и т. д. Для реализации мультимодовых режимов используются кантилеверы со специальными покрытиями, вибрирующие кантилеверы и т. п. Развитие мультимоды превратило зондовый микроскоп в мощный аналитико-препаративный инструмент для моделирования процессов и исследования свойств поверхностей.Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими и метрологическими инструментами следующего столетия. В России СЗМ производятся корпорацией МДТ. Корпорация МДТ была основана в 1991 группой выпускников МФТИ. Основные направления бизнеса - молекулярные технологии. НТ-МДТ является дочерней компанией корпорации МДТ и специализируется на производстве оборудования для молекулярных технологии - сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), изделий кремниевой микромеханики для нанотехнологии. Корпорация МДТ, 103460 Москва - Зеленоград, Гос. НИИФП
Промышленное применение сканирующих зондовых микроскопов:
субмикронная микроэлектроника - межоперационный контроль пластин, тестирование и коррекция СБИС; промышленное производство цифровых видеодисков DVD и CD - контроль качества матриц и выборочный контроль самих дисков; промышленное производство магнитных дисков - выборочный контроль качества магнитных покрытий;
оптическая промышленность - контроль качества обработки стекла, лазерных зеркал;
промышленность полимеров - контроль качества и идентификация полимерных материалов;
медицинская промышленность - контроль качества глазных линз.