Введение в нанотехнологии и наноэлектронику (290,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

Стр.7

Стр.8

УДК 621.38 Галочкин В.А. Введение в нанотехнологии и наноэлектронику. Конспект лекций. - Самара: ГОБУВПО ПГУТИ, 2013г - 367 с Достижения нанотехнологий основаны на принципиально новых научных знаниях о природе строения материалов, и, соответственно, принципиально новых технологиях и принципах конструирования. В данной работе собраны наиболее яркие (по мнению автора) публикации последних лет /1-20/ о наиболее значимых достижениях в области нанотехнологий и наноэлектроники и перспективах их развития. В ряде случаев публикации приведены практически без купюр, чтобы не исказить мнение авторов по наиболее важным их идеям и утверждениям. Автор взял на себя лишь труд отобрать из буквально «моря информации» материалы, соприкасающиеся с направлениями технических дисциплин ПГУТИ, скомпоновать и представить эти материалы в форме лекций для студентов телекоммуникационных специальностей. Цель данной работы – в популярной форме познакомить студентов ПГУТИ с новейшими достижениями науки и техники в рамках изучаемых ими дисциплин. Государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» © Галочкин В.А., 2013г

Стр.2

Оглавление Глоссарий ..................................................................................9 Введение..........................................................................................12 Тема 1*: введение в нанотехнологии........................................14 Лекция 1...........................................................................................14 1.1. Предисловие.........................................................................14 1.2. "Умственная иммунная система".......................................19 1.3. Закон Мура...........................................................................21 1.4. Основные понятия...............................................................24 1.4.1. Нанотехнология ............................................................... 25 1.4.2. Ассемблеры–молекулярныемашины ............................. 28 1.5.Краткая справка по истории нанотехнологий.................. 36 Лекция 2..........................................................................................39 2.1. Оборудование нанотехнологии ........................................ 39 2..2. Туннельный эффект и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) .......................................40 2.3. Атомносиловой микроскоп .............................................. 46 2.4. Сканирующие зондовые микроскопы ............................. 49 2.5. Самосборка ......................................................................... 52 2.6. Наноэффекты в природе ................................................... 54 2.7. Фуллерены и углеродные нанотрубки ............................. 57 2.8. Ультрадисперсные наноматериалы ................................. 66 Лекция 3 Будущее нанотехнологий: проблемыи перспективы...........69 3.1. Идеальная техническая система ....................................... 69 3.2. Медицина ........................................................................... 71 3.3. Материаловедение ............................................................. 73 3.4. Электроника, компьютерные технологии, робототехника ........................................................................... 75 3.5. Микроскопия и средства визуализации ........................... 76 3.6. Социальные последствия .................................................. 76 3.7. Домашний быт и сельское хозяйство .............................. 77 3.8. Промышленность и космонавтика ................................... 78 3.9. Космический лифт ............................................................. 80 3.10. Политика .......................................................................... 85 3.11.Экология..................................................................... ........87 3

Стр.3

3.12. Опасности, которыми не следует пренебрегать ............................................................................. 88 3.13. Нано на стыке наук .......................................................... 91 3.14. Наноиндустрия в России и за рубежом ......................... 96 Выводы по теме ......................................................................... 99 Контрольные вопросы по теме...............................................110 Тема 2:законы квантового мира Лекция 4 .....................................103 ..............................................................................103 4.1. Как возникла квантовая физика ..................................... 103 4.2. Основные понятия и законы квантовой механики .................................................................................. 110 4.3. Структура атома .............................................................. 111 4.4. Постулаты Бора и квантование орбит ........................... 113 4.5. Принципы работы лазера ................................................ 118 Лекция 5 ..............................................................................124 5.1. Свойства лазерного излучения ....................................... 124 5.2. Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов ........................................................................... 125 5.3. Квантовые пределы точности измерений...................... 129 5.4. Волновая функция и вероятностный характер поведения квантовых объектов..............................................133 5.5. Уравнение Шредингера и периодическая система элементов Менделеева .................. 137 Лекция 6........................................................................................145 6.1. Квантовые размерные эффекты .................................... 145 6.2. Почему нельзя смешивать законы классическои и квантовой физики.................................................................147 6.3. Эффекты квантовой физики, обеспечивающие реализацию эталонов основных единиц измерения физических величин системы СИ ......................................... 150 6.4. Квантовые точки, проволоки и плоскости .................... 151 6.5. Квантовая механика и компьютер ................................. 154 6.6. Сверхпроводимость и сверхтекучесть ........................... 156 6.7. Квантовая телепортация ................................................. 159 6.8. Вероятностная интерпретация квантовых явлений .................................................................................... 161 Выводы по теме ....................................................................... 161 4

Стр.4

Контрольные вопросы по теме....................................165 Тема 3: наноматериалы.................................................167 Лекция 7 ................................................................167 7.1. Химическая связь .................................................. 167 7.2. Ионная связь .......................................................... 168 7.3. Ковалентная связь ................................................. 172 7.4. Металлическая связь ............................................. 174 7.5. Ван-дер-ваальсовы силы ....................................... 176 7.6. Водородная связь ................................................... 177 7.7. Что такое нанохимия? ........................................... 178 7.8. Объекты нанохимии. Классификации наночастиц .................................................................... 182 7.9. Частицы из атомов инертных газов ..................... 184 7.10. Частицы металлов ................................................ 185 7.11. Фуллерены ............................................................ 186 7.12. Нанотрубки .......................................................... 186 Лекция 8 ................................................................191 8.1. Ионные кластеры ................................................... 191 8.2. Фрактальные кластеры .......................................... 191 8.3. Молекулярные кластеры ....................................... 192 8.4. Способы получения наночастиц .......................... 193 8.5. Получение углеродных наночастиц - фуллеренов и нанотрубок ............................................ 197 8.5.1. Электродуговое распыление графита ............... 198 8.5. 2. Лазерное испарение графита ............................ 199 8.5.3. Метод химического осаждения из пара ............ 200 8.6. Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц .................................................................... 203 8.6.1. Серебро ................................................................ 203 8.6.2. Оксид цинка ........................................................ 207 8.6.3. Серпентин ............................................................ 207 Лекция 9 .................................................................210 9.1. Диоксид кремния ................................................... 210 9.2. "Умные" материалы ............................................. 211 9.3. Алмазоид - наноматериал будущего .................... 224 5

Стр.5

9.3.1. Перспективы применения алмазоида .......................... 226 9.3.2. Получение наноалмазов ................................................ 228 Выводы по теме ....................................................................... 230 Контрольные вопросы по теме ............................................... 231 Тема 4: инструменты нанотехнологии..................................233 Лекция 10 ..............................................................................233 10.1. Оптический микроскоп ................................................. 234 10.2. Разрешающая способность микроскопов ............................................................................ 237 10.3. Электронный микроскоп............................................... 238 10.4. Сканирующая зондовая микроскопия ......................... 243 10.5. Типы кантилеверов ........................................................ 244 10.6. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля ......................................................................... 245 10.7. Наноиндентор ............................................................... 247 10.8. Сканирующие зондовые лаборатории ......................... 249 10.9. Нановесы ........................................................................ 251 10.10. Спектроскопия ............................................................. 253 Лекция 11 .......................................................................... 256 11.1. Моделирование наноструктур ...................................... 256 11.1. 1. Визуализационное моделирование ........................... 257 11.1.2. Вычислительное моделирование ............................... 258 11.1.3. Инженерное моделирование ....................................... 261 11.2. Механические наноманипуляторы .............................. 263 11.2.1. Сканирующий зондовый микроскоп* ....................... 263 11.3. Оптические манипуляторы ........................................... 269 11.3.1. Оптический пинцет* ................................................... 270 11.3.2. Исключения из правил ................................................ 276 Выводыпо теме ........................................................................ 279 Контрольные вопросы по теме ............................................... 280 Тема 5: наноэлектроника и микроэлектромеханические системы..............................................................282 Лекция 12 ..............................................................................282 12.1. Появление и развитие полупроводниковой электроники..............................................................................282 12.2. Диод ................................................................................ 290 12.3. Транзистор ..................................................................... 291 12.4. Интегральная микросхема ............................................ 295 6

Стр.6

12.5. Проводящие полимеры ................................................. 295 12.6. Появление и развитие MЕMS и NEMSтехнологии................................................................................300 12.7. Сенсоры .......................................................................... 310 Лекция 13......................................................................................315 13.1. Проекты наномоторов ................................................... 315 13.1.1. Вращательный наноактюатор на основе ....... 315 АТФазы.................................................................................... 315 13.1.2. Электростатические наноактюаторы ............. 316 13.1.3. Наноактюатор на основе молекулы ДНК ....... 316 13.1.4. Проект диэлектрофорезного наномотора ....... 317 13.1.5. Наномотор на эффекте поверхностного натяжения ................................................................................. 318 13.1.6. Наномотор на основе нанотрубок и золотых электродов ................................................................. 319 13.1.7. Ротор на основе нанотрубки ............................ 320 13.1.8. Туннельный электростатический наномотор Дрекслера .............................................................. 321 Выводы по теме ....................................................................... 322 Контрольные вопросы ............................................................ 325 Тема* 6: основы одноэлектроники. Наносхемотехника .................................................................327 Лекция 14 ..............................................................................327 14.2. Приборные структуры одноэлектроники .................... 334 14.2.1. Классификационный анализ ............................. 334 14.2.2. Одноэлектронные транзисторные структуры ................................................................................. 334 Лекция 15 15.1 .Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур ......................................................................... 339 15.2. Одноэлектронные металлические структуры ................................................................................. 340 15.3. Молекулярный одноэлектронный транзистор ............................................................................... 343 15.4. Устройства на одноэлектронных транзисторах ........................................................................... 346 15.4.1.Аналоговыеустройства ...................................... 346 7 ...............................................................................339

Стр.7

Лекция 16 15.4.2. Цифровые устройства ...................................... 347 ...............................................................................356 16.1.Одноэлектронный механический транзистор................................................................................ 356 16.2. Заключение .................................................................... 358 Выводы по теме ....................................................................... 359 Контрольные вопросы по теме ................................................ 361 Литература....................................................................................363 8

Стр.8