Нанофізика

НАНОФІ́ЗИКА (від нано... та фізика) — роз­діл фізики, що ви­вчає властивості обʼєктів, що мають обмежений роз­мір і обмежену кількість атомів. Обʼєктами 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 обʼєктах проявляються закони квантової механіки, але в таких взаємозвʼязках, 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 звʼязку 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 обʼєктів 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 обʼєкт. 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. Звʼязок між шарами слабкий, а всередині шару існує дуже сильний хім. звʼязок. 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. памʼяті, модулятори ви­про­міне­н­ня, про­зорі сенсорні екра­ни з діагона­л­лю понад 80 см. Виявлено лікувал. дію графен. структур у медицині (зокрема при лікуван­ні пухлин).

Завантажити статтю