Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Р.Е. Алексеева 
 

Кафедра «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники». 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему:

«Нанотехнологии» 
 
 
 

   

  Руководитель

Водзинский В.Ю. ____________

«_____»  ______________2009 

Выполнил 

Тюрина А.А.  ______________

«______»  ______________2009 

Работа  защищена

с оценкой _____________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

2009

    Содержание

Введение……………………………………………………………………………….....3

1. Особенности наноструктуры..………………………………………………………..4

2. Свойства наноматериалов. Размерные эффекты……..……………………………..6

     2.1. Общая характеристика…………………………..…………………………...6

     2.2. Электронное строение………………………………………………………..7

3. Актуальные проблемы технологии и материаловедения полупроводников……...9

     3.1. Выращивание монокристаллов…………………………..……………….....9

     3.2. Особенности дефектообразования в бездислокационных и малодислокационных монокристаллах …………………………………………..…..10

           3.2.1. Дефектообразование в бездислокационных монокристаллах...…11

           3.2.2. Дефектообразование в малодислокационных монокристаллах....12

4. Применение  наноматериалов………………………………………………………..14

5. Практическая часть. Технология полупроводников………....................................15

Выводы ………………………………………………………………………………….16

Список литературы……………………………………………………………………..17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Нанотехнология  сегодня представляется чрезвычайно  перспективной наукой, обещающей множество блестящих применений, от создания новых и высокоэффективных лекарств против тяжелейших заболеваний (включая раковые) до создания фантастических «молекулярных производств», позволяющих производить любые требуемые вещества буквально по принципу построения требуемых молекул из атомов исходных элементов. В связи с развитием нанотехнологий мы постоянно узнаем об удивительных открытиях и перспективах, например, о возможности создания компьютеров небывалой мощности, введении в человеческий организм удивительных микроскопических имплантантов (восстанавливающих, имитирующих или даже значительно расширяющих возможности человека) и о многих других, столь же удивительных перспективах. Более того, эти возможности перестали быть просто предметом дискуссий изобретательных дилетантов или авторов научно-фантастических произведений, а являются реальными разработками, предлагаемыми серьезными учеными и экспертами.

Новая наука  настоятельно требует простого и  ясного разъяснения основ теории и возможностей применения предлагаемых нанотехнологий в рамках привычных научных, технических и медицинских понятий. Описание и разъяснение нанотехнологий требуется не только сотрудникам и руководителям предприятий, которые уже имеют дело с нанотехнологиями или собираются этим заниматься, но и множеству людей, для которых эти научные исследования могут стать увлекательным и многогранным полем активной деятельности в ближайшем будущем.  
 
 
 
 
 
 

1. Особенности наноструктуры

Свойства наноматериалов, в том числе эксплуатационные характеристики, определяются их структурой; изучение последней является одной из важных задач наноструктурного материаловедения. Воспользуемся классификацией Г.Глейтера, чтобы охарактеризовать основные типы структур неполимерных наноматериалов (табл. 1).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

По химическому  составу и распределению фаз  можно выделить четыре типа структуры: однофазные, статистические многофазные  с идентичными и неидентичными  поверхностями раздела и матричные  многофазные. Также выделяют три  типа структуры по форме: пластинчатая, столбчатая и содержащая равноосные включения. Эта классификация учитывает возможность сегрегаций на межкристаллитных границах (идентичные и неидентичные поверхности раздела). Однако реальное разнообразие структурных типов может быть и более широким за счет смешанных вариантов, наличия пористости, трубчатых и луковичных структур, полимерных составляющих и т.д. Наиболее распространенными являются одно- и многофазные матричные и статистические объекты, столбчатые и многослойные структуры; последние характерны в большинстве случаев пленок.

На рис. 1, 2 показаны типичные структуры консолидированных  наноматериалов. Эти снимки получены с помощью высокоразрешающих  и обычных просвечивающих электронных  микроскопов (рис. 1, а, д – з; рис. 2), высокоразрешающего сканирующего электронного микроскопа (рис. 1, б, в) и атомно-силового микроскопа (рис. 1, г) с увеличением в 20000-3500000 раз. Столбчатая и пластинчатая структуры пленок представлены на рис. 1, в-д; однофазные структуры – на рис. 1, а-г, ж; многофазные – на рис. 1, д, е, з; рис. 2.

В целом для  структуры наноматериалов характерно обилие поверхностей раздела (межзеренных  границ и тройных стыков – линий  встречи трех зерен).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Свойства наноматериалов. Размерные эффекты.

2.1. Общая характеристика.

Выявлением взаимосвязи  свойств материалов с характерными размерами их структурных элементов  различные науки (физика, химия, материаловедение, биология) занимаются давно. Зависимость  давления насыщенного пара жидкости от кривизны капли была предложена У. Томсоном (Кельвиным) еще в 1871 г. В начале XX в. Появляется еще одна теоретическая работа в области размерных эффектов, выполненная Д. Томсоном. Экспериментально наблюдаемые высокие значения электросопротивления тонких пленок, превышающие электросопротивление крупнокристаллических металлических образцов, связывались с ограничением длины свободного пробега электронов размером образца. Предложенная Д. Томсоном формула имеет вид:

 

где ρ₀ – удельное электросопротивление компактного крупнокристаллического металла; ρ – удельное электросопротивление изучаемого образца (пленки); κ = δ/l (κ ≤ 1); l – длина свободного пробега электронов; δ – толщина пленки.

Впоследствии  это выражение неоднократно уточнялось (например, учитывался коэффициент  отражения электронов от поверхности раздела и т.д.), но первоначальная идея влияния длины свободного пробега оставалась практически неизменной.

Основные особенности  проявления размерных эффектов в  наноматериалах могут быть сформулированы следующим образом:

• с уменьшением размера зерна значительно возрастает роль поверхностей раздела;

• свойства поверхностей раздела в нанометровом интервале  могут быть отличными от таковых  для обычных крупнокристаллических  материалов; разнообразие поверхностей раздела в нанокомпозитах, объединяющих неорганические и органические компоненты или органические и биологические компоненты и т.д., также весьма значительно;

• размер кристаллитов по мере их уменьшения может быть соизмерим  с характерными размерами некоторых  физических явлений (например, с длиной свободного пробега носителей в процессах переноса и т.д.);

• размерные  эффекты в наноматериалах могут  иметь квантовый характер, когда  размер зерна (или размер области локализации свободных носителей) становится соизмеримым с длиной волны де Бройля.

Трудность изучения размерных эффектов в наноматериалах обусловлена многообразным влиянием различных факторов на свойства последних. Помимо размера кристаллитов значительное влияние оказывают состав и распределение  основных компонентов и примесей, пористость, содержание дефектов и наличие остаточных напряжений, присутствие неравновесных и аморфных фаз и др. Следует также различать размерные эффекты на поверхностях раздела и в объеме нанокристаллитов. Выяснение природы размерных эффектов – одна из важнейших проблем материаловедения наноструктурных объектов. 

2.2. Электронное строение.

 Квантовые размерные эффекты начинают оказывать влияние на электронные свойства наноматериалов, когда размер области локализации свободных носителей заряда становится соизмеримым с длиной волны де Бройля λ_в:

 

Здесь m^* - эффективная масса электронов; E – энергия носителей; h – постоянная Планка.

Для металлов, в  которых эффективная масса электронов близка к массе свободных электронов m₀, а кинетическая энергия (энергия Ферми) составляет несколько электрон-вольт, де-бройлевская длина волны составляет 0,1-1,0 нм, т.е. влияние размера зерен нанометаллов на их электронные свойства может проявляться лишь для очень малых кристаллитов или в очень тонких пленках. Ситуация меняется для полуметаллов (Bi) и полупроводников (особенно узкозонных – InSb), отличающихся малыми значениями как эффективной массы (m^* ≈ 0,01 m₀), так и энергии носителей (E ≈ 0,1 эВ); соответственно значение λ_в составляет уже около 100 нм, т.е. проявление квантовых эффектов для этого типа наноматериалов вполне ощутимо.

Квантовые эффекты  наблюдаются и при достижении размеров, соизмеримых с радиусом других квазичастиц: экситонов, магнонов, поляронов и т.д., что может  проявляться в оптических и магнитных  свойствах вещества, связанных с возбуждением экситонных или магнонных состояний вещества.

В отличие от металлов и полупроводников, в которых  энергия межатомного взаимодействия велика и макроскопические кристаллы  рассматриваются как отдельные  молекулы, для молекулярных и ван-дер-ваальсовых кристаллов, энергия связи и взаимодействие между ближайшими соседями которых невелики, электронные свойства слабо зависят от размера частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Актуальные проблемы технологии и материаловедения полупроводников.

Полупроводниковые материалы по праву занимают одно из ведущих мест в ряду важнейших материалов, определяющих уровень развития мировой цивилизации. Они составляют основу элементной базы современной электронной техники, без которой сегодня немыслим научно-технический прогресс. С развитием твердотельной электроники (и, прежде всего, микроэлектроники) связано успешное решение проблем крупномасштабной компьютеризации и информатизации, создания современных систем связи и телевидения, эффективной передачи и преобразования электроэнергии, разнообразной бытовой, медицинской и специальной электронной аппаратуры. Большую роль играют эти материалы в решении задач развития экологически чистых энергетики и холодильной техники, создания современных систем мониторинга загрязнений окружающей среды, а также высокочувствительной сенсорной техники широкого функционального назначения.

3.1. Выращивание монокристаллов.