|
1. Технология. Макроскопиялық, микроскопиялық және нанометрлік объектілер. Нанотехнология.
Наномотордың принципті сызбасы.
Технология дегеніміз – бұл өнім шығару процесінде материалды өңдеу, жасау, оның қалпын, қасиеттерін, формасын өзгертуге арналған құралдар мен әдістерінің жиынтығы. Оптикалық құралсыз көзге көрінетін объектілер макроскопиялық (macro – үлкен) деп аталады.Макроскопиялық денелер көптеген атомдардан құрылады, мысалы
тас балта немесе авиалайнер. Кесе, балта мен орындықты жасау технологиялары – бұл макроскопиялық дүниенің технологиялары
Микроскопиялық объектілер (micro – кішкентай) деп 1-100 мкм мөлшерлі объектілер аталады. 1 мкм=10–6 м=0,0001 см. Биологиялық клетка, қанның эритроциты және т.т. – бұл микродүниенің
объектілері.
Нанометрлік объектілер (nannos – карлик, торбық) деп 1-100 нм мөлшерлі объектілер аталады. 1 нанометр=1 нм=10–9 м.
Н
анотехнологиялар дегеніміз – бұл нанометрлік мөлшерлері бар материалдарды, құрылғыларды және жүйелерді жасау және қолдану. Нанотехнологиялар атомдық және молекулалық мөлшерлі объектілермен жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Төмендегі суретте осы құрылғының принципипті сызбасы көрсетілген. Бұл суреттегі наномотордың статоры қозғалмайтындай етіп бекітілген.Келесі екі қабат ротор болып келеді.Статор мен ротор бірге айналу наноподшипнигін құрайды.Қабаттардың шетіндегі зарядтар химиялық адсорбция кезінде алынуы мүмкін және наномоторды электрлік өріс арқылы басқаруға көмектеседі
4.Құрылым.Наноқұрылымды материалдар. Нанокомпьютерлер туралы түсінік.
Наноэлектроника қазіргі таңда жаңа есептегіш техника – нанокомпьютерлер шығара бастады.
Нанокомпьтерлер, айтып кететін бір жайт, әр түрлі бағытта дами түседі және оның генетикалық, молекулалы-биологиялық т.с.с. түрлері болады. Соның бірі кванттық есептеулер теориясынан пайда болатын құрылғы – кванттық компьютерлер.
7. Микро-, мезо- және макрокеуектік заттардағы кеуектердің өлшемдері. Бірэлектрондық транзистор.
Макропоралар – диаметрі 50 нм-ден жоғары кеуектер.
Микрокеуектер – диаметрі 2 нм-ден аз тесіктер.
Мезокеуектер - көлемі 2-ден 50 нм-ге дейінгі кеуектер,Кеуектер мөлшерін микро-, мезо- және макрокеуектерге жіктеуді Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы (IUPAC) ұсынады. Кейде микрокеуектер шартты түрде жұқа ультрамикрокеуектерге (0,7 нм-ден аз) және ультрамикрокеуектер мен мезокеуектер арасында аралық өлшемге ие супермикрокеуектерге бөлінеді. Микрокеуекті жүйелердің беті үлкен, ол граммына мыңдаған шаршы метрге жетуі мүмкін. Микрокеуекті материалдарға белсендірілген көмірлер, силикагельдер, цеолиттер, саздың кейбір түрлері және т.б. жатады. Кеуек қабырғаларының жақын орналасуына байланысты микрокеуектердегі адсорбцияның заңдылықтары тегіс беттегі немесе үлкен кеуектердегі адсорбциядан күрт ерекшеленеді, сондықтан көлемді толтыру теориясы оны сипаттау үшін жасалды.
Микрокеуектердің құрылымы мен морфологиясын зерттеу арнайы зерттеу әдістерін қажет етеді. Ең көп таралғаны энергетикалық әдіс болып табылады, ол екі нұсқада жүзеге асырылады - адсорбциялық мәліметтерден сипаттамалық энергияны есептеу және сулану жылуларын анықтау арқылы; Сонымен қатар, кіші бұрышты рентгендік дифракция әдісі, жоғары ажыратымдылықтағы электронды микроскопия, молекулалық зондтар әдісі және басқалары қолданылады.
Бір электронды транзистор - бұл жеке электрондарды манипуляциялау арқылы елеулі кернеу өзгерістерін жасау мүмкіндігін пайдаланатын транзистордың тұжырымдамасы. Бұл мүмкіндік, атап айтқанда, Кулондық блокада құбылысына байланысты бар.
17. Зондтың беттікпен қысқа әрекеттегі және ұзақ әрекеттегі күштер. Доғалық қондырғылардың түрлері.
Зондтың беттікпен өзараәрекеттесу күштері қысқа әрекеттегі және ұзақ әрекеттегі күштерге бөлінеді. Ине ұшы мен беттік атомдарының электрондық қабықшалары қиылысқанда қысқа әрекеттегі күштер шамамен 0,1-1 нм қашықтықта пайда болады және қашықтық өскенде шапшаң азаяды.Беттік атомдарымен қысқа әрекеттегі өзара әрекеттесуге тек қана ине ұшындағы бірнеше атомдар қатысады. Осындай түрлі
күштер көмегімен беттік кескінін алу кезінде АКМ(атомды-күштік микроскопы) түйіскен режимінде жұмыс істейді.Ұзын әрекеттегі күштерінің пайда болуы ван-дер-ваальс, электрстатикалық немесе магниттік өзара әрекеттесуімен анықталады.Мұндай күштердің қашықтықтан тәуелділігі өте әлсіз болады және осы күштер ине–үлгі саңылауының шамасы 0,1-1000 нм болғанда сезіледі.Атомаралық қашықтық артқанда ұзын әрекеттегі күштер баяу азаяды. Сондықтан, бұл әрекеттесуге қатысатын зонд инесінің ұшын құрайтын атомдар саны едәуір болады. Ұзын әрекеттегі күштерін қолданғанда беттіктің зерттеуі түйіспеген режимінде өтеді.
Доғалық қондырғылардың түрлері:
•қуыс катоды бар үш электродтық қондырғы;
•органикалық еріткішке батырылған доғасы бар екі электродтық қондырғы;
•ұнтақ графитті доғаға жеткізу құрылғысы бар екі электродтық қондырғы;
•ұнтақ графитті катодтағы саңылаудан доғаға жеткізу құрылғысы бар үш электродтық қондырғы.
|
2. Паули принципі. Аумақ. Рұқсат етілген аумақ. Тыйым салынған аумақ. Квантты өлшемді эффект.
Валентті аумақ. Өткізгіштік аумағы. Мембраналық күштік элементі бар микросорғыштың конструкциясы.
Паули принципы:Бір энергетикалық деңгейде екіден
артық электронның болуы мүмкін емес Бір атом екіншіге жақындағанда,деңгейлер екіге бөлшектенеді
Энергетикалық деңгейлердің үзілмейтін тобы аумақ деп аталады.Аумақ рұқсат етілген және тыйым салынған болып екіге бөлінеді.
Рұқсат етілген аумақ дегеніміз – бұл энергияның деңгейлері бар және онда электронның болуы рұқсат етілген аумақ.
Тыйым салынған аумақ дегеніміз – бұл энергияның деңгейлері жоқ және онда электроның болуына тыйым салынған аумақ.
Квантты өлшемді эффекті дегеніміз – бұл нанобөлшектердің өлшемі азайғанда энергетикалық ауысулары мен сәулелену кванттар энергияларының артуы.
Валентті аумақ дегеніміз – бұл валентті электрондардан құрылған энергетикалық аумақ.
Валентті аумақтан жоғары орналасқан аумақ – өткізгіштік аумағы деп аталады.
Суретте мембраналық күштік элементі бар микросорғыштың
сызбасы көрсетілген.
Электрстатикалық принципімен басқарылатын және пассивті беттік клапаны бар диафрагмалық микросорғыштың конструкциясы
Бұндай насос төрт кремний кристалынан жасалады.
Әрбір кристалда керекті элементтер орындалады және одан
кейін бір-біріне жабыстырылады.
1-ші қабатта мембрананың қарсыэлектроды бар.
2-ші қабат кремнийдің жұмысшы мембранасын құрайды.
Мембрананың беткі қабаты металмен қапталған. Барлығы
бірігіп олар блоктың электржетегін құрайды, бірақ бір-бірінен
электрлік оқшауланған.
3-ші және 4-ші қабаттар бірігіп клапанды блокты құрайды
.
5.Нанобөлшек. Нанокластер. Оптоэлектрониканың құрылғылары, олардың функциялары
Нанобөлшек - қоршаған ортамен нақты анықталған шекарасы бар оқшауланған қатты фазалық объект, оның өлшемдері барлық үш өлшемде 1-ден 100 нм-ге дейін ауытқиды. Нанокластерлер атомдық дәл кристалды материалдар болып табылады, олар көбінесе 0-2 нанометр масштабында болады. Оптоэлектроника - ақпаратты өңдеу, сақтау және беру үшін оптикалық және электрлік әдістерді қолданумен айналысатын электроника бөлімі. Оптоэлектрондық құрылғылар - бұл көрінетін, инфрақызыл және ультракүлгін аймақтардағы электромагниттік сәулеленуге сезімтал құрылғылар, сондай-ақ осындай сәулеленуді шығаратын немесе пайдаланатын құрылғылар.
8.Нанодисперсиялар. Ленгмюр-Блоджетт ұлпалары. Табиғаттағы фотондық кристалдардың қолданулары.
Нанодисперсия, наноэмульсия немесе наносұйықтық - 0,1–100 нм тән өлшемі бар бөлшектер мен бөлшектер агломераттары бар сұйықтық. Мұндай сұйықтықтар сұйық еріткіштегі нанобөлшектердің коллоидты ерітінділері болып табылады. Қоспалардың шағын өлшемдеріне байланысты мұндай жүйелер ерекше физикалық-химиялық қасиеттерге ие.
Лангмюр-Блоджетт технологиясы — қатты субстраттың бетіне Лэнгмюр қабықшаларын (сұйықтық бетінде түзілетін амфифильді қосылыстардың моноқабаттары) беру арқылы моно- және көп молекулалы қабықшалар алу технологиясы.
Фотонды кристал – периоды жарықтың толқын ұзындығымен салыстыруға болатын периодты түрде өзгеретін өткізгіштігі немесе біртексіздігі бар қатты денелі құрылым.
Кристаллдар кейбір мазерлерде микротолқындарды күшейту үшін және лазерлерде жарық толқындарын күшейту үшін қолданылады. Пьезоэлектрлік қасиеттері бар кристалдар радиоқабылдағыштар мен радиотаратқыштарда, пикап басқыштарында және сонарларда қолданылады.
9. Гетероқұрылымдар. Нанокристалдық материалдар. Талшық жарық диодтарына қарағанда фотондық кристалдың ерекшеліктері.
Гетероқұрылым– жолақ саңылауы немесе электронды жақындығы бойынша ерекшеленетін әртүрлі материалдардың қабаттарынан тұратын субстратта өсірілген құрылым.
Нанокристалды материалдар – кристалл өлшемдері 100 нм-ден аз материалдар. Қасиеттердің жиынтығы бойынша олар соңғысының құрылымы көлденең бағытта 5-10 мкм-ден аспайтын түйіршікті өлшемі бар ұсақ түйіршікті болса да, химиялық құрамы бірдей қарапайым материалдардан айтарлықтай ерекшеленеді.
16. Сканерлеу процесі. Қос металдық дене арасындағы туннельдік ток формуласы. Графиттің буландыру тәсілдері.
Зонд микроскопиясының жұмыс істеу принципін түсіндіру үшін, зонд пен үлгі арасында өзара әрекеттесуінің күші қарастырылады.Өзара әрекеттесу күштері атомаралық қашықтықтар артқанда шапшаң азаяды.Зонд пен үлгі әрекеттесуінің ең үлкен үлесін зонд ұшында мен үлгінің көршілес атомдары арасында пайда болатын күш келтіреді.Егер атом радиусының жартысынан төмен қашықтыққа зондты орын ауыстыруын меңгерсек және сол кезде әрекеттесу күші қалай өзгеретінін өлшесек, беттіктегі бөлек атомдарды «сезуге» болады.Мұндай процесс үлгінінің сканерлеу процесі деп аталады. Сканерлеу кезінде жинақталған мәліметтер компьютер көмегімен өңделеді. Соның нәтижесінде бөлек атомдарының орналасуы көрінетін беттігінің кескіні алынады.
СТМ(Сканерлеу туннельдік микроскоп) арқылы диэлектриктің кескінін алуға болмайды. СТМ жұмысы негізіндегі физикалық принциптерінде тоқсасақ,сканерлеуші ине мен беттік атомдарының толқындық функциялары қиылысқанда электрондардың туннельдеу процесі өтуін айтып кету керек.Қос металдық дене арасындағы туннельдік ток туннельдік эффектісінің формуласына сәйкес келесі теңдеумен сипатталынады:
I=10exp(-C(jz)1/2) мұнда C – 10.25 (эВ•нм)-1/2: j – потенциалдық тосқауылдың биіктігі;z – электродтар арасынадғы қашықтық; I – туннелдік тогы
Фуллерендердің ашылуына әкелген алғашқы эксперименттерде импульсті лазер шоғымен графит буландырылды. Графиттің буландыруы 2000К жоғары температурада өткізіледі.Мұнда фуллерендер милиграмдық мөлшерде синтезделеді.
Инертті газ ағынында графит электродтары арасындағы электр доғада графиттің буландыру мен десублимациясы фуллерендердің лабораторияда алу әдісі кеңінен таралған. Жағдайлардың көбісінде инертті газ ретінде гелий қолданылды.Бұл процестің зертханалық вариантын В.Кретчмер мен Р.Хоффман ұсынған. Процесте анод шығындалады және екі өнім өндіріледі: реакциялық камера қабырғаларында фуллеренқұрамды күйе және тығыз күйежентектелген катодтық тұңба. Күйеге буландырылатын графиттің тек 30-40% айналады. Доғадағы температура 4000 К құрайды.
6 мм диаметрлі графит аноды пайдаланғанда фуллерендердің максимал шығуы 10-15% құрайды. Бұл жағдайда анод пен катодтың арақашықтығы 3-5 мм, ток күші 80 А және гелийдің қысымы 106 кПа (800 мм сын.бағ.) болу қажет.Токтың шамасы емес оның тығыздығы негізгі параметр болып табылады. Сондықтан анод геометриясының өзгеруі фуллерендерді алуға тиімді ток күшін өзгертеді.
|
3. Потенциалдық тосқауылдың биіктігі. Туннельдеу құбылысы. Микроэлектрмеханикалық жүйелер
туралы түсінік.
Потенциалдық тосқауылдың биіктігі деп бөлшектің таушық төбесіндегі потенциалдық U=mgh энергиясы аталады
E k>U болғанда, бөлшек таушықтың екінші жағына домалап кетеді
E kТуннельдік эффект: егер кванттық бөлшек потенциалдық U тосқауылдың бергі жағында орналасатын болса, онда бөлшектің толық энергиясы тосқауылдан төмен болған жағдайда да оның тосқауылдың арғы бетіне өту мүмкінділігі болады. Туннельдеу, бөлшектің толқындық қасиеттері және энергия деңгейлерінің квантталуы – осылардың барлығы кванттық табиғатқа жатады
Микроэлектрмеханикалық жүйе Микрожүйе – бұл, сезгіштік, есептегіш және өндіргіштік функцияға ие өте кішірейтілген жүйе
МЭМЖ = Электроника + Микромеханика, Микрожүйелер аумағындағы терминология әлі дами қойған жоқ. Бірақ кең қолданылып жүрген термин «микроэлектрмеханикалық жүйе» (МЭМЖ). Сонымен қазіргі заманғы интегралды сызба технологиясы МЭМЖ технологиясымен тығыз байланыста. Алайда бұл саладағы ғылыми ойларды жүзеге асыру үшін, бұл салаға физиканың, химияның және биологияның басқа да жетістіктерін интегралдау керек.Микрожүйелік техниканың барлық элементтерін жасайтын технология жоқ, сондықтан түрлі технологиялық әдістердің жиынтығын пайдалануға тура келеді. МЭМЖ-ны жасақтауда жоғары жетістіктерге жету үшін нанотехнология жетістіктерін кең қолдану керек.
6. Сорбент. Нанокеуекті заттар. Резонансты-туннельдік диодтың құрылымы мен жұмыс істеу принципі
Сорбенттер - бұл қоршаған ортадан газдарды, буларды немесе еріген заттарды таңдап алатын қатты немесе сұйық заттар.
Нанокеуектер – өлшемдері наносарғышта болатын кеуектер.
Резонанстық туннельдік диод (RTD) – екі потенциалдық кедергімен қоршалған потенциалды ұңғыма арқылы заряд тасымалдаушыларды туннельдеуді пайдаланатын сызықты емес ток-кернеу сипаттамасы бар электр тізбегінің жартылай өткізгіш элементі. Құрылымы: Резонанстық туннельдік диод гетероструктураны пайдаланады, онда заряд тасымалдаушыларға арналған потенциалдық шұңқыр, мысалы, электрондар үшін, легирленген байланыс аймақтарынан потенциалдық кедергілер арқылы бөлінген. Мысалы, әлеуетті ұңғыма аймағын GaAs, потенциалды тосқауыл аймақтары — Ga1-xAlxAs және сыртқы аймақтар — донорлық қоспаланған GaAs-тен жасалуы мүмкін. Потенциалды энергияның контакт–барьерлік–ұңғыма–барьерлік–контакті түрінің координатасына тәуелділігі өткізгіштік жолақ жиегінің сәйкес энергетикалық профилімен құрылады.
RTD гетероструктурасы арқылы потенциалдық шұңқырдағы квантталған деңгейлердің энергияларымен шамамен энергиялары сәйкес келетін электрондар ғана жоғары ықтималдықпен өтеді. Бұл ықтималдық өту ықтималдығының туындысынан айтарлықтай асып түседі Т1, Т2 жеке кедергілер арқылы және біреуіне жақын болуы мүмкін. Энергиясы жоғары немесе төмен электрондар құрылым арқылы өте төмен ықтималдықпен өтеді
15. Айырудың дифракциялық шегі. Электрондық линзалар. Еркін жолдың орташа ұзындығы. Фуллерендерді алу әдістері. Адамның көзі 25 см қашықтықта 0,1 мм шамалас объектісін көреді.Одан ұсақ объектілерді көру үшін әртүрлі оптикалық аспаптар қолданылады: лупа, оптикалық микроскоп және т.б.Қазіргі оптикалық микроскоптарта ұлғайтқыш күші 1500 есе дейін барады. XIX ғасырдың 70-ші жылдары Рэлей анықтаған айырудың дифракциялық шегі деп аталатын мәселенің болуы:арақашықтығы мына шамадан төмен объектілерді айырып көруге болмайды. d=0.61λ/n. Мұнда λ – жарық толқынның ұзындығы, n – ортаның сыну көрсеткіші. Оптикалық диапазон (көз көретін жарық) 400 нм-ден (күлгін) 800 нм(қызыл) аралықта болады.Электрстатикалық және электрмагниттік линзалар көмегімен электрондар шоғын фокустаудың алғашқы тәжірибелері XX ғ. 20-шы жылдары өткізілді. Ең алғашқы электрондық микроскоп И.Руска Берлинде құрастырған. Оның өту микроскопы ұңтақтарды, жұқа ұлпаларды және қиықты зерттеуге арналған. Растрлік электрондық микроскопта да жоғары энергиялық электрондар көзі мен конденсор жүйесі бар. Мұнда үлгі беттігін электрондар шоғымен сканерлеуге мүмкіндік беретін қосымша электрмагниттік басқару линзасы қолданылады. РЭМ микроскоптағы басқару линзасы өту электрондық микроскоптағы объективке ұқсас функциясын орындайды. Сондықтан ол микроскоптың қорытқы ажырату қабілетін анықтайды. Бірақта, растрлік микроскопта басқару линзасы үлгінің үстінде орналасады және сигналды жинақтауға ешқандай қатысы жоқ.
Кейбір электрондар 90˚-тан үлкен бұрышқа шашырайды және материалдан шығып кетуі мүмкін.Электрондар кері қарай беттік қабыитқа шағылысады. Осы қабаттың қалындығы шамамен еркін жүру жолдың ұзындығына тең. Еркін жолдың XD ұзындығы – бұл электронның ену тереңдігі, оған жеткенде электрон үш бағытта бірдей ықтималдылықпен қозғалады. XD аз тереңдіктерде электронның алғашқы өсі бойымен қозғалуы басқа бағыттарға қарағанда басым болады.
1985ж. көміртектің бұрын белгісіз формасы фуллерендер ашылды. Фуллерен көміртектің жаңа аллотропиялық формасы болып табылады. 60 атомнан құрылған және C60 болып белгіленетін фуллеренннің молекуласы кеңінен зертелінді.C60 құрылымында 20 алтыбұрыш және 12 бесбұрыш бар.
Фуллерендерді алу әдістері:
Графиттің буландыру мен десублимациясы(Графиттің буландыруы 2000К жоғары температурада өткізіледі.)
Көмірсутектердің пиролизі
Қыздыру тәсілдері:
Доғалық (электр доға көмегімен)
Резистивтік (Джоуль жылу есебінде)
Сәулелік (лазер сәулелендіру, күн концентраторлары немесе электрондар шоғы көмегімен)
Плазмалық
Индукциялық (жоғары жиілікті токтарымен)
18. Нанолитография. Фуллерендерді қолдану салалары.
Сканерлеу зондтық микроскопиясының қызығушылықты тудыратын қолдануына жататын оның нанообъектілерді жасауға инструмент бола алады. Мұндай әдіс нанолитография деп аталады. Артық кернеу немесе күшті келтіргенде зонд үлгі беттігіндегі атомды жұлып алып басқа жерге орналастыруы мүмкін. Сонда кез-келген молекулалар мен наноқұрылымдарының атом-атоммен құрастыруын жасауға және болашақта олардың макроскопиялық көлемде өндіріге болады.
Фуллерендердің қолдануы
•энергетикада (ток көздері, асқынөткізгіштер, отынның қоспалары);
•материалтануда (оптикалық, магниттік, фотоэлектрлік және изоляциялық материалдар, тонерлер, композиттер, мембраналар жасалынады);
•сенсорикада;
•биологияда;
•медицинада.
•Аккумуляторлық батареялар,отқа төзімді бояудағы қоспалар,дәрі жасау,жасанды алмаз жасауда
|
