К.ф. – м.н. Николаева Т.Н.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт» Украины

Путь к нанотехнологиям

Ученые еще в прошлом веке утверждали, что одна из крупнейших задач, стоящих перед физикой твердого тела, создание материалов с заданными свойствами. Это стало возможным решить используя успехи нанотехнологии. Современная электронная техника требует применения элементов, размеры которых составляют несколько микрон. Для решения задач микроминиатюризации электронных устройств потребовалось пройти длительный путь, который можно обозначить следующими этапами:

1. Исследования микрочастиц

2. Исследования поверхности полубесконечных кристаллов

3. Исследования границ раздела слоистых структур

4. Низкоразмерные системы (двумерные структуры, сверхрешетки)

5. Наноструктуры

Важными методами исследований твердых тел до сих пор являются оптические методы. При изучении характера взаимодействия электромагнитных волн с кристаллами часто использовались микрокристаллы, помещенные в неактивную среду, если возникали трудности в приготовлении тонких пленок. При этом общей чертой спектров поглощения во всех исследованиях был сдвиг резонансных полос поглощения в сторону больших частот. Было обнаружено, что в спектрах поглощения малых частиц, соизмеримых с размерами длины волны света, появляются особенности, которых нет в спектрах объемных кристаллов. Например, в области существования решеточного поглощения (фононов) в ионных кристаллах вместо единственной полосы поглощения объемного вещества возникали несколько полос. Число, частотное положение и ширина таких полос определялась формой частиц и диэлектрической проницаемостью окружающей среды. Эти новые полосы были связаны с тем, что у микрочастиц сильно «развита» поверхность, вследствие этого у них появляются поверхностные колебания (поверхностные фононы). Несмотря на доминирующий вклад поверхностных колебаний в поглощение и простоту, с которой их свойства вытекают из элементарной теории, они почти не привлекали внимания исследователей, в особенности занимающихся прикладными вопросами. Однако было показано, что наиболее интересной особенностью малых частиц является то, что они могут проявлять такие свойства, которые мало походят на свойства массивного материала. После выхода обстоятельных теоретических работ, где рассматривалось взаимодействие света с микрокристаллами различной формы, стали появляться целенаправленные работы по экспериментальным исследованиям поверхностных колебаний в кристаллах соизмеримых с длиной волны света.

Исследования физических и физико-химических свойств поверхности твердого тела всегда было актуальным научным направлением. Это связано с важнейшими практическими приложениями – микроэлектроникой, задачами интегральной оптики для передачи информации вдоль поверхности, лазерной техники, широким использованием в технике гомо- и гетеропереходов. Свойства различного рода тонких пленок, слоистых структур, границ раздела играют определяющую роль в работе многих электронных устройств.

При взаимодействии света с полубесконечным кристаллом в нем возбуждаются поверхностные электромагнитные волны (поверхностные поляритоны). Это могут быть как поверхностные решеточные колебания (поверхностные фононы), так и поверхностные плазменные колебания (поверхностные плазмоны). Они распространяются вдоль поверхности или границы раздела сред. Напряженность их электромагнитного поля локализуется в слое, размеры которого с каждой стороны от границы порядка длины волны света, и максимальна на поверхности. Колебания их электрического поля лежат в плоскости, перпендикулярной поверхности кристалла. Они быстро затухают экспоненциально по мере удаления от границы. Их свойства и закономерности поведения содержат богатую информацию о свойствах поверхностей и приповерхностных областей контактирующих сред. Спектроскопия поверхностных поляритонов, энергия которых распространяется только вдоль поверхности, используется в качестве неразрушающего метода для контроля и исследования реальной поверхности и переходных слоев. Это относится также к многокомпонентным системам, содержащим слои малой толщины, соизмеримые с длиной волны оптического излучения. Для возбуждения поверхностных колебаний требовались особые методики. Поверхностные поляритоны не взаимодействуют непосредственно с плоской электромагнитной волной, падающей на гладкую поверхность. В оптических экспериментах эта трудность обходилась применением метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Методами спектроскопии поверхностных поляритонов изучались свойства тонких пленок на поверхности диэлектриков и полупроводников, переходных слоев, шероховатых поверхностей, двумерных структур и сверхрешеток, а также взаимодействия между фононами и плазмонами контактирующих кристаллов.

Частицы нанометровых размеров начали привлекать внимание исследователей в середине 1980-х годов. В настоящее время нанонаука и нанотехнология – одно из самых передовых направлений современного естествознания. Наибольший интерес представляют частицы в один или несколько нанометров. Тонкие наномасштабные пленки и наночастицы изменяют свои физико-химические свойства в зависимости от толщины. Если все размеры уменьшаются, то свойства объема изменяются. Это называется размерными эффектами. Сюда можно отнести изменения межатомных расстояний, переход в аморфное состояние, изменение температуры плавления, изменение электрофизических свойств. Эти особенности используется, например, для получения защитных пленок от электромагнитного излучения, пленок с антикоррозийной стойкостью, защищающие от химических воздействий и т.д.

Появилась возможность применения успехов нанотехнологии в области химии, биологии, медицины и фармакологии, так как частицы лекарств наноразмеров могут проникать в нужные клетки. Одной из задач наноэлектроники является перевод уже имеющихся приборов, устройств, материалов на наноразмеры.