Физика поверхности. Кластеры

Реферат

на тему: «Физика поверхности. Кластеры.»

Оглавление

 Введение

В настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений в области естественных наук является исследование малоразмерных объектов — наночастиц (НЧ) и наноматериалов. Бывшие долгое время уделом узкого круга исследователей, наука о коллоидах и коллоидная химия за последние примерно 20 лет превратились в обширную междисциплинарную область, включающую в себя науку о наночастицах и наноматериалах (nanoscience) и нанотехнологию. Концептуальными вопросами данного направления являются получение и исследование наиочастиц, а также создание ансамблей (функциональных материалов) на их основе. Разработан целый ряд физических, химических. физико-химических и биологических методов получения и исследования НЧ. а также методы нанотехнологии, в том числе лазерные.

Большой научный и практический интерес к наночастицам и наноматериалам обусловлен тем, что многие их физические, химические и термодинамические свойства существенно отличаются от свойств составляющих их атомов или молекул и свойств макроскопического вещества, что открывает большие возможности для получения новых материалов и создания новых технологий на их основе. Ожидается, что наночастицы и наноматериалы будут играть важную роль в экономике, технологии во всех сферах жизни человека.

Уникальные свойства наноматериалов определяются. прежде всего, их структурой на атомарном уровне, в частности, структурой границ раздела и поверхности. Роль, которую играют размер и структура наиочастиц, во многих случаях сравнима с ролью химического состава частиц. В результате это добавляет ещё один управляемый и гибкий параметр для конструирования новых материалов (наноматериалов) и контроля за их поведением. Многие из этих уникальных свойств являются чрезвычайно важными и  многообещающими для перспективных технологических применений, включая наноэлектронику, нанофотоннку, биомедицину, хранение информации, связь, оборону, исследование окружающей среды и космоса.

Быстрый прогресс в исследовании наночастиц и наноматериалов обусловлен несколькими обстоятельствами. Во-первых, разработанные методы нанотехнологии позволяют синтезировать наночастицы практически произвольной формы и состава. Во-вторых, современные методы диагностики дают возможность детально исследовать свойства НЧ и наноструктур. И, в-третьих, развитие компьютеров и вычислительных методов позволяет предсказывать и оптимизировать свойства НЧ и основанных на них устройств. Сегодня можно при готовить и исследовать НЧ и наноструктуры из металлов. полупроводников и других материалов различными способами. Быстрое развитие как экспериментальных, так и теоретических методов привело к пониманию многих свойств наиочастиц и наноматериалов.

Значительный прогресс в науке о наночастицах и нанотехнологии достигнут благодаря применению лазеров. В ряде случаев используются уникальные свойства лазерного излучения, такие как пространственная и временная когерентность; лазеры часто используются как удобные и легко управляемые источники электромагнитного излучения. В реферате приведены общие определения, характеризующие НЧ. кратко рассматриваются их параметры, свойства, применение, физические и химические методы их получения и исследования.  Кратко рассматриваются история развития исследований с наночастицами и наноматериалами.

1 История изучения  наноматериалов

Изучение малоразмерных объектов (порошков, пигментов. коллоидов, цеолитов, плёнок, кластеров и др.) и квантовых размерных явлений началось давно, задолго до "нанобума" . Археологические находки свидетельствуют о существовании рецептур приготовления коллоидных систем ещё в античном мире. Например, "китайские чернила" коллоидный раствор сажи в воде с добавлением гуммиарабика; последний способствует предотвращению агломерации дисперсных частиц сажи и их оседания, стабилизируя свойства частиц во времени) появились более четырёх тысяч лет назад в Древнем Египте, а возраст биологических нанообъектов может исчисляться с момента возникновения жизни на Земле.

Среди всех микро- и наиочастиц важное место занимают металлические наночастицы. которые характеризуются. прежде всего, уникальными оптическими свойствами и способностью эффективно рассеивать и поглощать свет . Уже в давние времена люди научились применять их в прикладных целях, например, для окраски драгоценных камней, которые играли важную эстетическую, мистическую и экономическую роль в жизни человека. Для этой цели использовались ничтожные количества примесей тяжёлых металлов и их оксидов, которые можно рассматривать как коллоиды или наночастицы. Археологические раскопки показывают, что цветные стёкла для витражей изготовлялись ещё в Древнем Египте во 2-м тысячелетии до н.э. и в Древнем Риме с I в. н.э. Прекрасной иллюстрацией этих достижений цивилизации является сделанная мастерами Древнего Рима в IV в. н.э. знаменитая чаша Ликурга, находящаяся в Британском музее в Лондоне. При освещении белым светом с разных сторон чаша светится либо красным, либо зеленоватым цветом. Долгое время причина такого свечения не была понятна, однако теперь известно, что такая игра цвета связана с рассеянием света на золотых и серебряных наночастицах, содержащихся в стекле. Начиная со Средних веков и до настоящего времени металлические НЧ широко используются при изготовлении витражей для готических соборов. Прекрасными примерами применения металлических и полупроводниковых наиочастиц для окраски стёкол и кристаллов являются, например, созданные в XIII-XIV вв. красочные витражи собора Парижской Богоматери, собора Святого Вита в Праге, а также изготовленные в 1937 г. рубиновые звёзды Московского Кремля. (Для того чтобы получить стекло алого цвета — "селеновый рубин" — в стекло звёзд Кремля добавляли кристаллы CdSe и CdS субмикрометрового размера). В Римский период коллоидные металлы применялись также для окраски различных тканей и как терапевтическое средство при лечении артрита. Пурпурный цвет, который образуется в результате реакции оловянной кислоты с золотохлористой кислотой, был популярным цветом в давние времена. Это цвет коллоидного раствора частиц оксида олова и нанокристаллов золота. Недавно было установлено, что лазурный цвет "майя" — это синяя краска, которая использовалась народом майя примерно в VII в. и содержала нанокристаллы металла и оксидов металлов, добавленные к индиго и кремнезёму. Очевидно, что синтезу наиочастиц должно было предшествовать понимание явлений, происходящих в масштабе нанометров.

Исследования наиочастиц проводились в XVII в.. Антонио Нери (Antonio Neri), флорентийский священники мастер по стеклу, в 1612 г. в своём трактате L'Arte Vetraria (Искусство стекла) описал синтез коллоидного золота. Кункель (John Kunckel) в 1689 г. пересмотрел работу Нери и перевёл её на немецкий язык. Поэтому с именем Кункеля часто связывают открытие, что стекло можно окрасить в красный цвет за счёт добавления золота. Кункель разработал технологию получения "золотого рубинового стекла", которое выглядело не хуже настоящих рубинов. Считалось, что Кункель унёс секрет его изготовления с собой, так как оставленные им сведения не содержали основных технологических условий получения этого ценного стекла необычайно интенсивной окраски. Секреты "золотого рубинового стекла" были заново открыты М.В. Ломоносовым, который разработал всю методику получения "золотого рубина". Согласно этой технологии, для получения "золотого рубинового стекла" надо в обычное стекло добавить незначительное количество (0,01-0,1%) раздробленных частиц золота диаметром от 4 до 30 мкм.

Несмотря на достижения ранних лет, исследования наночастиц не получили последующего развития. Систематические научные исследования нанообъектов начинаются в XIX в., когда М. Фарадей в 1856-1857 гг. получает и исследует свойства коллоидных растворов высокодисперсного золота и плёнок на его основе. В 1857 г. он выполнил основополагающую работу  по коллоидным металлам. Он называл их разделёнными (divided) металлами. Фарадей заложил основы этой области, отметив, что золи коллоидных металлов являются термодинамически нестабильными и индивидуальные частицы должны стабилизироваться, чтобы не происходила их агрегация. Заметим, что золи — это дисперсионные растворы твёрдых тел в жидкостях. Фарадей установил также природу коллоидных частиц металлов небольшого (нанометрового) размера. В случае золота он утверждал: "золото размельчается на очень мелкие частицы, которые, становясь диффузными, образуют красивую жидкость..." разного цвета в зависимости от размера частиц. Ми и Ганс предложили теоретические основы для описания оптических свойств частиц нанометрового размера, которые широко используются по настоящее время. Фрёлих и Кубо создали теории, которые предсказали, что электронная структура коллоидных металлов должна отличаться от таковой для макроскопических тел.

В первой половине XX в. наука о коллоидах была областью исследований лишь нескольких специализированных групп и не получила большого развития. Пренебрежение наукой о коллоидах побудило Оствальда назвать свою книгу о коллоидах, вышедшую в 1915 г., "Мир обойденных величин" (The world of 
neglected dimensions). Вместе с тем это время свидетельствовало также об успехах в разработке методов получения коллоидного золота. Для приготовления золей золота Бредик использовал зажигание дуги между золотыми электродами, помещёнными в раствор щёлочи, Донау предложил пропускать газ СО через раствор золотохлористой кислоты. Зигмонди от крыл метод затравки (seeding method) и использовал формальдегид и слабую щёлочь для получения золя золота из его солей. Вручение Зигмонди в 1925 г. Нобелевской премии по химии частично и за его работы с коллоидами золота не вызвало должного восторга у научного сообщества и не стимулировало интенсивного развития этой области исследований.

Большой подъём в использовании методов коллоидной химии для получения наночастиц различных материалов произошёл во второй половине XX в. благодаря возбуждению, вызванному наукой о наноматериалах, инициированному в 1959 г. известной лекцией Нобелевского лауреата Р. Фейнмана, в которой было подчёркнуто принципиальное значение малоразмерных объектов. В своей лекции с аллегорическим названием "Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики" Фейнман акцентировал внимание на важности работ в области сжатия информации, создания миниатюрных компьютеров, дизайна материала и устройств методами молекулярной архитектуры с учётом особенностей биологических объектов. Большие надежды возлагались на химический синтез, причём отмечалось, что законы физики не запрещают конструирования материалов на атомно-молекулярном уровне.

Некоторые идеи Р. Фейнмана позже были развиты Эриком Дрекслером (Е. Drexler) (Массачусетсский технологический институт, США). В 1986 г. вышла его книга "Машины созидания. Грядушая эра нанотехнологий" . Основываясь на биологических моделях, автор ввёл представления о молекулярных фототехнических машинах. В противоположность традиционному технологическому принципу "сверху вниз" (типичные примеры —измельчение, травление, литография), применительно к миниатюризации интегральных схем было обращено внимание на стратегию "снизу вверх" (имеется в виду 
атомная и молекулярная сборка, о чём ранее упоминал Фейнман). К этому времени были изобретены также важнейшие и основополагающие приборы для наблюдения и исследования микро- и наиочастиц — электронный микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп — и с их помощью разработаны методы исследования малоразмерных объектов, что способствовало быстрому развитию исследований наиочастиц и наноструктур.

Параллельно развивались и концепции наноматериалов. Впервые они были сформулированы применительно к металлическим материалам Г. Глейтером в 
1981 г.. Он ввёл термин "нанокристаллические" материалы. Позже стали использоваться такие термины, как "наноструктурные", "нанофазные", "нанокомпозитные" и т.д. . Глейтером был также предложен метод получения наноматериалов из ультрадисперсных порошков за счёт их испарения-конденсации и последующей in situ вакуумной консолидации при высоких давлениях.

Широкое распространение получили такие термины с приставками "нано", как "нанотехнология", "наноэлектроника", "нанохимия", "наноплазмоника". Термин "нанотехнология" впервые употребил в 1974 г. японский учёный Норио Танигучи. Он назвал этим термином производство изделий размером в несколько нанометров. Понятие "нанотехнология" включает в себя умение целенаправленно создавать и использовать материалы, устройства и системы, структурные элементы которых имеют размер приблизительно 1-100 нм. Наука о малоразмерных объектах — это совокупность знаний о свойствах веществ и явлений в нанометровом масштабе.

В 1989 г. Доном Айглером (D. Eigler) в компании IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа была сложена аббревиатура IBM из 35 атомов ксенона (высота букв 5 нм) на грани (110) никелевого монокристалла, что стало мировым рекордом составления самого миниатюрного логотипа. Этот результат подтвердил реальность идеи атомной архитектуры и продемонстрировал уникальные возможности нанотехноло гии. Общие сведения о нанотехнологии изложены, например, в работах.

Важнейшими этапами развития науки о наиочастицах и нанотехнологии последнего времени можно считать открытие фуллеренов (1985 г.), углеродных нанотрубок (в 1991 г. описана их структура), графена (получен в 2004 г.) и их исследование, а также развитие мощных современных методов получения и исследования наночастиц и наноструктур.

Большой интерес, который проявляется в последнее время к наночастицам и нанотехнологии, обусловлен несколькими обстоятельствами. Во-первых, методы нанотехнологии позволяют получать принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими таковые для макроскопических образцов, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д. Во-вторых, нанотехнология оказалась весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники и др. Наконец, в-третьих, решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов как в фундаментальных, так и в технических знаниях, что способствовало концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.

В настоящее время во многих странах мира (США, Объединённая Европа, Япония, Китай, Россия) есть национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие нанотехнологических исследований и разработок. Большое внимание уделяется и подготовке кадров.

 2 Классификация наночастиц и наноматериалов

Наноматериалы имеют ряд структурных особенностей, которые обусловлены наличием параметров, которые могут относиться к структуре как в целом, так и к ее отдельным элементам. В свою очередь, структурные особенности наноматериалов находят свое отражение в необычном проявлении их свойств. Поскольку наноматериалы лежат в основе создания наносистем, то свойства наносистем в значительной степени зависят от свойств наноматериалов.

Существуют различные виды наноматериалов, каждый из которых характеризуется присущей ему спецификой структуры, и как следствие, свойств. Особенности наноматериалов и создаваемых на их основе наносистем проявляются, прежде всего, в размерных эффектах, среди которых особое место занимают квантовые эффекты.