Викладання елементів нанофізики та нанотехнологій у шкільному курсі фізики

2002 Сиз Деккер поєднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наномеханізм. Фінансування NNI склало 697 млн. дол. (на 97 млн. більше плану).

2003 Професор Фенг Лью з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гіссібла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.

У грудні 2003 року Конгрес США прийняв особливий закон «Нанотехнологічні Дослідження і Розробки 21 сторіччя», яким передбачалося збільшення асигнувань на подібні проекти.

У 2000 – 2006 рр. США і Японія були світовими лідерами з обсягів інвестицій у нанотехнології, у 2007 р. до них приєдналася Росія. Нині ці країни формують понад половину світового обсягу зазначених інвестицій.

2007 Пітер Грюнберг і Альберт Ферт отримали Нобелівську премію з фізики за відкриття ефекту аномально високого магнітного опору, що дало змогу розробити технологію запису даних на жорстких дисках з атомарною щільністю інформації.

Протягом 1975 – 2008 рр. у світі зареєстровано понад 100 тисяч патентів із використання нанотехнологій.

За прогнозами спеціалістів, розвиток нанотехнологій через 10-15 років дозволить створити нову галузь економіки що дасть прибуток у 15 млрд. дол. і близько 2 млн. робочих місць.

1.2. Фізичні основи (принципи) дослідження властивостей нанооб’єктів.

Для дослідження атомної структури речовини нанофізика використовує такі методи як: скануюча зондова мікроскопія, іонно-польова, атомносилова, магнітосилова, електронносилова та електронна мікроскопії, спектроскопічні методи, нанофотоніка та молекулярна візуалізація, дифракційні методи дослідження, рентгенівська кристалографія, наногравіметрія. Розглянемо деякі з методів.

Скануюча зондова мікроскопія. Первинне значення для розуміння властивостей будь-якого об'єкту має знання його атомної структури, тому визначення поверхневих структур один з найбільш важливих розділів фізики поверхні. Останні 30 років мікроструктура поверхонь твердих тіл інтенсивно вивчалася методами дифракції і розсіяння електронних і іонних пучків, а також в електронній спектроскопії. Проте більшість цих методів спочатку розроблялися для дослідження об'ємної структури твердих тіл, тому вони не завжди годяться для здобуття інформації про структуру поверхні, тим більше на атомному рівні. Довгий час основним методом дослідження структури поверхонь служив метод дифракції повільних електронів (ДПЕ), із застосуванням якого зв'язаний істотний прогрес в розвитку науки про поверхню. Досить згадати, що за допомогою ДПЕ була відкрита атомна реконструкція поверхонь - існування особливого їх структурного стану, відмінного від об'ємного, і виявлена велика кількість специфічних фазових переходів на поверхнях, як чистих, так і покритих адсорбованими плівками. У методі ДПЕ тонкий моно-енергетичний пучок електронів низької (до десятків електрон-вольт) енергії прямує на поверхню досліджуваного кристала. Оскільки енергія падаючих електронів порівняно невелика, то вони проникають на глибину всього одного-двох атомних шарів, тому аналіз кутового розподілу дифракційних рефлексів, утворених розсіяним пучком, дає зведення про розташування атомів в поверхневому шарі. Така інформація методично пов'язана із структурою оберненої (а не прямої!) гратки і виявляється усередненою відносно великої площі поверхні кристала.

Слід зазначити, що в даний час існують прилади, що дозволяють відображувати окремі атоми: польовий іонний мікроскоп і електронний мікроскоп високого розширення, що просвічує, проте обоє вони мають істотні обмеження по застосуванні, пов'язані із специфічними вимогами до форми зразків. У першому випадку зразки повинні мати форму гострих голок з провідного матеріалу, а в другому - тонких смужок. Перші зображення атомів були отримані за допомогою польового іонного мікроскопа, винайденого Е. Мюллером в 1951 році. У цьому приладі голковий зразок, що зазвичай виготовляється з тугоплавкого металу, наприклад, вольфраму, розташовується у вакуумній камері навпроти флуоресцентного екрану. Камера заповнюється інертним газом (гелієм або аргоном) до тиску 10 - 4–10 -5 Па, і після додатку до вістря високої позитивної напруги поблизу найбільш виступаючих ділянок поверхні відбувається польова іонізація атомів газу за рахунок зондування їх електронів в зразок. Іони, що утворилися, прискорюються цим же полем і бомбардують флуоресцентний екран, відображуючи з великим збільшенням виступаючі ділянки.

Тому винахід в 1982 році Г. Біннігом и Г. Рорером скануючого тунельного мікроскопа, який не накладає обмежень на розміри зразків, реально відкрив двері в новий мікроскопічний світ.

Іонно-польова мікроскопія. Техніка, що надає дозвіл наблизитися до міжатомних відстаней, це іонно-польова мікроскопія. У іонно-польовому мікроскопі на металеву голку з гострим кінчиком, що знаходиться в камері з високим вакуумом, подається позитивний потенціал. І електричне поле і його градієнт поблизу вістря дуже великі, так що залишкові молекули газу при наближенні до нього іонізуються, передаючи електрони голці, а самі заряджають позитивно. Ці газоподібні катіони відштовхуються голкою і летять від неї уздовж ліній електростатичного поля на розміщену поблизу фотопластинку, на якій при зіткненнях створюються засвічені точки. Кожна точка на пластинці відповідає атому на кінчику зонда, так що розподіл точок на фотопластинці представляє собою в декілька разів збільшене зображення розподілу атомів на вершині голки.

Електронна мікроскопія. Електронний пучок можна використовувати не лише для здобуття кристалографічної інформації про поверхню наночастинки, але і для створення зображення поверхні. Таку роль він і грає в електронному мікроскопі.

У електронному мікроскопі, що просвічує електрони з деякого джерела, наприклад, електронної гармати, потрапляють на зразок, розсіюються при проходженні крізь нього, фокусуються об'єктивною лінзою, проходять через збільшувальну лінзу і створюють шукане зображення. Якщо присутні віддалені один від одного важкі атоми, то вони дають основний вклад в розсіяння з середнім кутом розсіяння, що виражається як середній діаметр таких атомів. Зображення формується унаслідок того, що різні атоми розсіюють і поглинають швидкі електрони з різною ефективністю.

Електрони набагато сильніше взаємодіють з речовиною чим рентгенівські промені або нейтрони з порівнянною енергією або довжиною хвилі.

Для звичайного пружного розсіяння електронів з енергією - 100 кеВ середня відстань, яку проходить електрон між двома актами розсіяння у речовині, що називається довжиною вільного пробігу, складає від декількох десятків нанометрів для легких атомів до десятків, або, можливо сотень нанометрів для важких атомів. Кращі результати електронна мікроскопія дає для плівок з товщиною, порівняною з довжиною вільного пробігу. Істотно тонші плівки розсіюють дуже мало для здобуття корисних зображень, тоді як в товщих плівках переважає багатократне розсіяння, що розмиває зображення і, як наслідок, його важко інтерпретувати.

Основна частина електронного пучка, що пройшов через зразок, складається з електронів, що взагалі не зазнали розсіяння. У цьому пучку також не розсіяні електрони, що втратили частину енергії через не пружне розсіяння без зміни напрямку польоту, і електрони, відбиті від різних кристалографічних площин. Для здобуття того, що називається зображенням на світлому полі, апертура вводиться так аби проходив лише основний не відхилений пучок. Зображення на світлому полі спостерігається на детекторі або екрані. Деталі зображення в темному полі залежать від конкретного променя вибраного для здобуття зображення.

Для збільшення кількості інформації, що отримується із знімку, і вивчення деталей, інтенсивність яких близька до шуму, можна використовувати спеціальні прийоми обробки зображень. Якщо провести обробку зображення високоефективним методом швидкого перетворення Фур'є, можна отримати інформацію, аналогічну результатові такого перетворення звичайної дифракційної картини. Окрім пройшовших наскрізь електронів в пучку присутні і електрони, що випробували в зразку не пружні зіткнення і втратили енергію, витрачену на створення збуджень в зразку. Це може відбутися при збудженні коливань атомів, що знаходилися біля траєкторії прольоту електрона, і збудження фононів,які розповсюджувалися по кристалу. Третім дуже важливим джерелом не пружного розсіяння служить генерація одноелектронних збуджень атомів. Цей процес може зачіпати внутрішні електронні оболонки атомів. Менші втрати енергії можуть статися при перекиданні електрона з валентної зони напівпровідника в зону провідності. Таке збудження може релаксувати за допомогою переходу електрона в основний стан з випусканням світла. Характеристики цього вторинного випромінювання часто можуть дати корисну інформацію про зразок. Цей тип переходів використовується в багатьох розділах електронної спектроскопії. Дану методику можна використовувати для дослідження поверхні, оскільки глибина проникнення електронів в порівнянні мала.

Спектроскопічні методи дозволяють дослідити енергетичний стан молекул, атомів або утворених ними мікроскопічних систем, а також квантові переходи між енергетичними рівнями, що дає детальне описання структури та властивостей різних нанорозмірних частинок. За діапазоном довжини електромагнітних хвиль можна виділити наступні види спектроскопії: радіоспектроскопія, ІЧ та КРспектроскопія, УФ та фотоелектронна спектроскопія, рентгенівська спектроскопія і спектроскопія гаммавипромінювання [].

ІЧ та КРспектроскопія. Коливальні переходи і відповідні спектри молекул можливо отримати як при безпосередньому поглинанні речовиною інфрачервоного випромінювання (діапазон 250 мкм), так і при поглинанні видимого та ультрафіолетового випромінювання. У зв’язку з цим коливальна спектроскопія поділяється на інфрачервону спектроскопію (ІЧ) та спектроскопію комбінованого розсіювання (КР).

Дослідження ІЧ спектрів викликає велику зацікавленість, тому що за рахунок коливань кристалічних решіток напівпровідників та міжмолекулярних коливань, можливе дослідження молекулярних оптичних квантових генераторів. Спектроскопію КР використовують для вивчення валентних та деформаційних коливань молекул, зазвичай у діапазоні від 500 до 3600 см1. Спектри КР кристалічних речовин містять лінії, що відповідають розсіюванню випромінювання на колективних збуджених станах решітки, а ІЧ спектри проявляють лінії, які відповідають коливальним переходам зі зміною дипольного моменту. Вивчення коливально обертальних та чисто обертальних спектрів методами ІЧ та КР спектроскопії дозволяє визначити структуру молекули, хімічний склад, момент інерції молекули, величину сил, що діє між ними та ін. Це все робить можливим детально дослідити напівпровідникові та металічні вуглеводні нанотрубки, нановолокна і нанокомпозити на їх основі [].

Мікрохвильова спектроскопія досліджує перехід між коливальними рівнями, обумовленими інверсіями або обертальними рухами в молекулах з постійним дипольним моментом, пов’язаним із взаємодією квадрупольних моментів ядер з неоднорідними молекулярними енергетичними полями. Резонансне поглинання коливається у межах 1010 — 1011 Гц. Дана методика дозволяє чітко дослідити конфігурацію молекули, довжину зв’язків та кути між ними. Таким чином, можна побачити оболонки нанокластерів і "coreshell" наноструктур [].

Радіоспектроскопія. Радіоспектроскопічні дослідження будови речовини та процесів, що в них протікають, базуються на резонансному поглинанні радіохвиль довжиною >500 мкм та частотою < 1013 Гц. Радіоспектроскопія відрізняється тим, що дозволяє дослідити тонкі взаємодії в речовині, які викликають малі роз’єднання енергетичних рівнів. Виділяють декілька типів радіоспектроскопії:

Спектроскопія випромінювання. Гамма-спектроскопія розділ фізики атомного ядра, присвячений дослідженням енергетичних гамма спектрів у випромінення, залежностей кількості квантів від її енергії, звільнених атомними ядрами під час розпадів та реакцій. Успектроскопію виконують на Успектроскопах. Вона вміщує в собі дослідження всіх характеристик випромінювання, звільнених не тільки ядрами, але й атомами. До таких характеристик звільнених квантів, окрім їх енергії, відносять час їх звільнення, момент кількості руху, залежність вірогідності звільнення від кута виходу кванту та інше. Оскільки кванти, звільнені атомними ядрами або іншими структурами, виникають під час переходу зі стану з великою енергією у стан із меншою енергією, то за лініями в спектрах квантів можна встановити схеми енергетичних рівнів ядер. За шириною цих ліній також можна встановити тривалість життя та вірогідність їх розпаду. Знання вірогідності виходу квантів під різними кутами, дозволяє знайти їх мультиполярність та тип (електричний або магнітний) і визначити обертальність та парність ядерних рівнів, що беруть участь у переході. Крім того, за характеристиками переходів можливо визначити електричні квадрупольні та магнітні квадрупольні моменти ядер, тобто, розподіл зарядів і струмів в ядрах у різних станах. Одним з найбільш інформативних методів ядерної Успектроскопії є метод кутових кореляцій квантів і ядерна резонансна флюоресценція. У першому з них вивчається кореляція між кутом виходу послідовно звільнених ядром квантів, у другому ядро резонансно поглинає зовнішній квант відомої енергії та досліджується енергетичний спектр вторинних квантів, звільнених цим ядром. Успектроскопія є одним з найбільш точних методів визначення характеристик мікрооб’єктів, перш за все атомних ядер, так як за звільнення квантів відповідає електромагнітна взаємодія. Тому інтерпретація експериментальних даних, отриманих методом Успектроскопії, є найбільш простою та однозначною [].

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) резонансне поглинання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з нульовим спіном у зовнішньому магнітному полі, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. Це явище було відкрито в 19451946 роках вченими Феліксом Блохом та Эдвардом Міллсом Перселлом, за що в 1952 році вони отримали Нобелівську премію. Даний метод стає особливо важливим, коли досліджувана речовина знаходиться у розчині і її неможливо кристалізувати. Ядерний магнітний резонанс виникає за рахунок магнітних властивостей ядер. Ядра, які мають відмінний від нуля спін I, мають також пропорційний до нього магнітний момент. Таким чином, ЯМР надає унікальну інформацію про структуру досліджуваної речовини, розрізняючи іони, що входять у решітку, від мікровключень. При цьому досліджують іонні координати, ступінь іонності зв’язків, локальну симетрію та ін., що дає змогу глибоко оцінити характеристики наноструктур, особливо нанокомпозитних матеріалів [].