Нанофізика

Визначення і загальна характеристика

НАНОФІ́ЗИКА (від нано... та фізика) — розділ фізики, що вивчає властивості об’єктів, що мають обмежений розмір і обмежену кількість атомів. Об’єктами фундам. дослiдж. у галузі Н. є малорозмірні структури, тобто утворення із простор. розмірністю 0 (квант. точки), 1 (квант. дроти), 2 (квант. плiвки). Розмірність 3 відповідає звичайним твердим тiлам великих роз­мiрiв. У цих об’єктах проявляються закони квантової механіки, але в таких взаємозв’язках, що у природі не існують, вони виникають завдяки використанню методів нанотехнологій. Вивчення характеристик ультрадисперс. i мезоскопiч. систем викликає знач. iнтерес як iз заг.-наук. точки зору, так i в зв’язку з тех. застосуванням. Мета дослiдж. Н. — створення нових приладiв наноелектро­нiки і методiв їх масового виготовлення.

Квант. точки виникають на основі звичайних неорган. напiвпро­вiдник. матерiалiв i фактично є великими молекулами, що складаються з декiлькох тисяч атомiв. Дискрет. характер енергет. спектра носiїв заряду в напiвпро­вiд­ник. квант. точках дозволяє розглядати їх як штучнi атоми. На вiд­мiну вiд справж. атомiв (усi строго однаковi) для квант. точок характерна варіантність за формою i розмiрами. Квант. точка — пастка для електронів з малим радіусом, порівняним із розміром хвильової функції електрона. Тому всі стани в ній квантовані, як у атомі. Квант. точки виникають, зокрема, під час накладання електродів за зразком сендвіча із двох напівпровідників GaAs/(Ga,Al)As. Деяка частина електронів потрапляє у замкнуту електростат. пастку, створену електродами. Під дією прикладеної напруги електрони можуть тунелювати через квант. точку по одному. Тому замість ліній. залежності струму від напруги (закон Ома), вольт-амперна характеристика має сходинк. форму — виникає можливість перераховувати електрони у квант. точці поодинці. У дископодіб. квант. точках захоплені електродами електрони розподіляються по орбітам подібно природ. атомам та утворюють власну період. систему.

Остан. часом розвинулася хімія об’єктів на основі вуглецю — синтезовано молекули — фулерени, що здатні утворювати правильні багатогранники із десятків, сотень і тисяч атомів вуглецю, нанотрубки — циліндри діаметром кілька нм і довжиною до кількох см, різноманітні агрегати цих елементів — фулерен. кульки у трубці, трубка в трубці, канати із трубок тощо. Всі ці утворення при ввімкненні в електр. коло стають молекуляр. транзисторами, випрямлячами, вони здатні переносити електрони між електродами поодинці. Засобами вуглец. нанотехнології створені графен. площини — плівки товщиною в 1 атом. Вважають, що графен. нанотехнологія врешті замінить кремнієву, оскільки перевищує її за компактністю пристроїв, швидкодією та густиною запису інформації.

Ще одним винаходом Н. є оптичні ґратки, в яких період. кристал. структуру створ. схрещеними лазер. пучками. У вузлах оптич. ґратки містяться нейтрал. атоми лужних або перехід. металів. Параметри таких кристалів легко регулюються в експерим. установці. Розроблено і застосовують два методи створення наноструктур. В одному збирання структури йде «зверху-вниз», а в ін. — «знизу-вгору». «Зверху-вниз» здійснюється спец. обробкою масив. зразка (напр., сколюванням), яка врешті дозволяє одержати дуже маленький об’єкт. Одним із рекорд. прикладів є виготовлення зразків товщиною в 1 атом. Другий спосіб — збирати із окремих атомів, тобто нарощувати знизу вгору, напр., напиленням атом. пучками — т. зв. молекулярно-променева епітаксія. Прикладом перспектив. наноструктур, що виникають згаданими способами, є графен. структури. Графени — особлива форма існування графіту. Графіт структурно складається із окремих шарів товщиною в 1 атом, відстань між цими шарами — кілька ангстрем. Зв’язок між шарами слабкий, а всередині шару існує дуже сильний хім. зв’язок. Завдяки цьому міцність шару більша за міцність сталі у 5 разів, а теплопровідність прибл. в 20 разів більша за теплопровідність міді. В методі «зверху-вниз» спец. пластинкою акуратно зчищали лусочки, і серед них траплялися дво- й одношарові лусочки товщиною порядка 0,1 нм і довжиною кілька мікрометрів. Ось на такій графен. площині, по якій йде струм, можна створити транзистор із дуже малими габаритами. Така система має унікальні електрон­ні властивості, зокрема ефективна маса електронів дорівнює нулеві, а це зменшує кількість зі­т­кнень електронів і підвищує енер­гоефективність транзистора. Ширина забороненої зони в енергет. спектрі також дорівнює нулеві, тому властивості цієї системи дуже важливі для фундам. на­уки, оскільки при незвич. зонній структурі виникає багато цікавих явищ. Ін. наноструктури із вуглецю у вигляді згорнутих аркушів графену одержують методом «знизу-вгору» у розряді, в якому присутні атоми вуглецю. Виникають вони спонтанно шляхом самоорганізації. Типовий діаметр таких трубок становить прибл. 1 нм, існують трубки у такому вигляді, коли одна трубочка вкладена в іншу. При цьому міцність такої трубки, оскільки вона складається із графен. аркуша, в 5 разів більша за міцність сталі. Наноструктурні елементи є пер­спектив. для застосування у різних галузях науки. Створ. польові транзистори на основі графену із великою швидкодією, існують надчутливі сенсори, що можуть ви­являти наявність одного електрона, біосенсори, мініатюрні кон­денсатори високої ємності, швидкодійні елементи енергонезалеж. пам’яті, модулятори випро­мінення, прозорі сенсорні екра­ни з діагоналлю понад 80 см. Виявлено лікувал. дію графен. структур у медицині (зокрема при лікуванні пухлин).

Завантажити статтю