Что могут нанотехнологии

Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности (см.  рис. 7б). В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников.

Рисунок 7б. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на постоянном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.

Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и поверхностью образца сделать в несколько больше, чем надо для изучения этой поверхности, то ближайший к ней атом образца превращается в ион и "перескакивает" на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры, т.е. структуры на поверхности, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля (см. рис.8).

Рисунок 8. Сложенное из 35 атомов ксенона на пластинке из никеля название компании IBM, сделанное сотрудниками этой компании с помощью сканирующей зондового микроскопа в 1990 году.

С помощью зондового микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет способствовать такой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластины. В результате, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине (см. рис. 9).

Рисунок 9. Слева – кантилевер (серый) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

Лазерный нанопинцет

Рисунок 10. Слева – луч лазера падающий сверху на линзу, фокусируется внутри капли. При этом на каждую частицу, находящуюся в воде, действуют силы (оранжевые стрелки), результирующая которых (зелёная стрелка) всегда направлена к фокусу. Справа - сложенные с помощью лазерного пинцета различные узоры из гелевых наночастиц.

Вверху – установка «лазерный пинцет». Взято из Scientific American, 1998, Apr, p. 62.

Лазерный (или оптический) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов. Вблизи точки фокусировки лазерного луча свет тянет к фокусу всё, что находится вокруг (см. рис. 10 слева). Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы ловить наночастицы в фокус лазерного луча. Как только частица оказалась в фокусе, ее можно двигать вместе с лазерным лучом. С помощью оптического пинцета можно передвигать частицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры (см. рис. 10 справа).  Есть все основания считать, что в дальнейшем лазерный пинцет станет одним из мощных инструментом нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки

Рисунок 11а. Слева – схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки; справа (сверху вниз) – двухслойная, прямая и спиральная нанотрубки.

Многие перспективные направления в нанотехнологии связываются с углеродными нанотрубками. Это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Углеродные нанотрубки – это протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки (рис. 11а). Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. В настоящее время наиболее распространённым методом получения нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, и на торцевой поверхности катода образуется слой из углеродных нанотрубок. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода.

Рисунок 11б. Структура графита - слои из атомов углеродов, соединённых друг с другом.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах (рис. 11б). А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов - что, конечно, слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры!

Ориентировать и собирать нанотрубки в упорядоченные структуры очень сложно. Для этого используют самые необычные технологии. Например, короткие нанотрубки растворяют в эпоксидной смоле, и пока она не затвердела, выдувают из неё огромный пузырь (25´50 см), придерживая его с боков плоскими пластинками из пластика. Как показали исследования, в затвердевших участках тонкой эпоксидной плёнки, прилипших к удерживающим пластинам, нанотрубки ориентированы параллельно друг другу в вертикальном направлении (см. рис. 11в)

Рисунок 11 в. Из эпоксидной смолы, содержащей беспорядочно ориентированные нанотрубки, выдувают пузырь (верх), застывая в плёнке которого, они ориентируются параллельно друг другу в вертикальном направлении (низ). Взято из http://www.newscientisttech.com/channel/tech/dn11942-bubbles-offer-solution-to-nanotube-tangles.html.

Несмотря на то, что приручение нанотрубок только начинается, уже и сейчас в продаже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют нанотрубки и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

Необычные электрические свойства нанотрубок могут сделать их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы транзисторов, состоящие из одной нанотрубки, ведь прикладывая напряжение в несколько вольт, можно изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.

Что такое нанопроволоки, и как их получают?

Нанопроволоками называют проволоки с диаметром несколько десятков и менее нанометров (нм), изготовленные из металла, полупроводника или диэлектрика. Длина нанопроволок часто может превышать их диаметр в 1000 и более раз. Нанопроволоки часто называют одномерными структурами, а их чрезвычайно малый диаметр (около 100 размеров атома) даёт возможность проявляться различным квантово-механическим эффектам. Поэтому нанопроволоки иногда называют «квантовыми проволоками». Уникальные электрические и механические свойства нанопроволок создают предпосылки для их использования в будущих наноэлектронных и наноэлектромеханических приборах, а также в качестве элементов новых композитных материалов и биосенсоров.

В природе нанопроволок не существует. В лабораториях нанопроволоки чаще всего получают методом эпитаксии, когда кристаллизация вещества происходит только в одном направлении. Например, нанопроволоку из кремния можно вырастить так, как это показано на рисунке (слева).

Подпись к рисунку. Слева – получение кремниевой нанопроволоки (розовая) методом эпитаксии с помощью золотой наночастицы в атмосфере SiH4.

Наночастицу золота помещают в атмосферу газа силана (SiH4), и эта наночастица становится катализатором реакции распада силана на водород и жидкий кремний. Жидкий кремний скатывается с наночастицы и кристаллизуется под ней. Если концентрация силана вокруг наночастицы поддерживается неизменной, то процесс эпитаксии продолжается, и всё новые слои жидкого кремния кристаллизуются на его уже затвердевших слоях. В результате, нанопроволока из кремния растёт, приподнимая наночастицу золота всё выше и выше. При этом, очевидно, размер наночастицы определяет диаметр нанопроволоки. Справа на рис.1 показан лес из ZnO нанопроволок, полученных аналогичным образом.

Квантовые точки – рукотворные атомы наноразмеров

Способностью собираться вместе и образовывать структуры наноразмеров обладают не только атомы углерода, но многие другие атомы. При этом объединяться, конечно, могут не только одинаковые атомы или молекулы, но и разные. Им надо, просто, помочь. Стремясь друг к другу и образуя такие структуры, атомы и молекулы уменьшают потенциальную энергию взаимодействия друг с другом. Стремление к минимуму потенциальной энергии – общий принцип функционирования всех систем. Поэтому, если электрону в атоме сообщить энергию, то он сначала перейдёт на более высокую орбиту, но спустя очень небольшое время окажется опять на более низкой, так она соответствует минимуму потенциальной энергии атома. При этом энергия, от которой избавился атом, переходя в более низкое энергетическое состояние, излучается в виде кванта энергии определённой частоты. Атом, как и всё вокруг стремится оказаться на дне ближайшей потенциальной ямы.

Потенциальные ямы могут быть рукотворными и их можно сооружать, например, для электронов проводимости полупроводников. В разных полупроводниках, чтобы стать таким электроном общего пользования, необходима различная энергия, т.н. ширина запрещённой зоны. Поэтому, если вставить нанослой полупроводника А с узкой запрещённой зоны между образцами другого полупроводника Б, обладающего широкой запрещённой зоной, то некоторые электроны проводимости полупроводника А не смогут перейти в полупроводник Б и окажутся запертыми в пределах своего слоя. Это значит, что такая структура, которую называют гетероструктурой, оказалась для этих электронов потенциальной ямой.

Атомы, объединяясь в гетероструктуру, продолжают жить по законам квантовой физики. Это значит, что потенциальная энергия этой гетероструктуры может изменяться только дискретным образом. При этом, когда гетероструктура из атомов переходит из одного состояния в другое, то она излучает квант света той длины волны, которая соответствует разности энергий между этими состояниями.

Рисунок 12а. Образование квантовой точки при внесении GaAs (зелёный овал) в ямку прямоугольной формы в AlAs. Внизу - потенциальная яма с двумя энергетическими уровнями Е0 и Е1, переход между которыми соответствует жёлтому кванту света.

Одним из способов заставить атомы объединяться в гетероструктуру – сделать микронеоднородность, т.е. что-то изменить в какой-то точке, и тогда эта область может оказаться более предпочтительной для группы каких-то атомов. Неоднородность можно сделать, например, с помощью фотолитографии – сначала вытравить маленький кусочек поверхности (сделать ямку) в AlAs, а потом положить в эту ямку GaAs (рис.12а). Если «встряхнуть» такую гетероструктуру, передав ей квант энергии, её потенциальная энергия увеличиться ступенчато с Е0 до Е1. В «приподнятом» состоянии гетероструктура пробудет недолго и потом снова свалится на самый нижний уровень, излучив в данном случае жёлтый квант света.

Рисунок 12б. Объёмное изображение квантовой точки, представляющей собой пирамидку их атомов германия, спонтанно образовавшуюся на кремниевой подложке.

Объёмное изображение другой гетероструктуры, напоминающей пирамидку показано на рис. 12 б. Эта пирамидка из атомов германия образовалась, когда были созданы условия для прилипания атомов германия друг к другу на поверхности подложки из кремния.

  Гетероструктуры, аналогичные тем, что показаны на рис. 12, назвали «квантовыми точками». Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы» имеющие наноразмеры. Ведь электроны в атомах, переходя с одной орбиты на другую, тоже излучают квант света строго определённой частоты. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр излучения мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от нас.

Оказалось, что длина волны, излучаемая квантовой точкой, пропорциональна её размеру. Чем больше размер квантовой точки, тем меньшую частоту она излучает. Похожая ситуация и у математического маятника – чем больше длина нити, тем меньше частота его собственных колебаний. Таким образом, если сделать по одинаковой технологии квантовые точки разных размеров и сделав взвесь, поместить их в разные пробирки, то эти пробирки будут светиться разным светом, хотя все они облучаются монохроматическим светом одной длины волны (см. рис. 13).

Рисунок 13. Зависимость цвета, которым светятся квантовые точки, от их размера.

Сейчас разработан метод самосборки квантовых точек из атомов и молекул в растворе. Например, реакция между ионами кадмия и селена, идущая в присутствии органических молекул, приводит к образованию квантовой точки (см. рис. 14).

Рисунок 14. Самосборка квантовой точки (слева направо), происходящая при реакции ионов кадмия (фиолетовые шарики) и селена (зелёные) в присутствии органических молекул (красные с голубыми хвостиками). Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 46.