Инструменты для измерения наноструктур

1. Спектроскопия – важна для изучения наноструктур.Однако из-за λ (400-900 нм) не позволяет изучать сами наноразмерные элементы.

2. Электрохимические методы позволяют исследовать природу поверхности атомов изучая химические реакции.

3. Электронная микроскопия – разрешающая способность оптических микроскопов ~ 200 нм. (1/2 λ). Электронные микроскопы: просвечивающие (ПЭМ) и сканирующие (СЭМ). Волновая природа электронов позволяет увеличивать разрешающую способность на 2-3 порядка.

ПЭМ- электронный луч проходит через слой 1 мкм. СЭМ - регистрируется отражение или вторичные электроны с поверхности. Нужен высокий вакуум для тех и других. В ПЭМ электронный луч позволяет получить прямое изображение дефектов или кристаллических структур, анализировать периодичность атомных структур. Разрешающая способность до 0,2 нм, что позволяет получить фото атомов и молекул. Однако сложна методика приготовления образцов. Атомный слой наносят за счет «ионн фрезирования». Развитие СЭМ долго отставало от ПЭМ. Сейчас разрешающая способность до 0,5 нм.

4. Зондовая микроскопия. СТМ - сканирующая туннельная микроскопия. АСМ – атомарно силовая микроскопия. СОМБП- сканирующий оптический микроскоп ближнего поля. Все они сканируют поверхность при помощи зонда или щупа в виде супериголки. Имеют повышенное разрешение по вертикальной координате (профилю) с точностью до размеров отдельных атомов.

В СТМ (1981 г.) атомарная структура изучается путем измерения туннельного тока, проникающего между зондом и поверхностью образца, который должен быть электропроводящим. Величина туннельного тока определяется структурными особенностями поверхности. Она позволяет контролировать положение отдельных атомов с точностью нескольких Ă. (предел существующих методик). Зонд находится на расстоянии 1 мкм. Разрешение определяется «остротой» зонда. Лучшее разрешение, когда на острие 1 атом.

В АСМ (1986 г.) используется измерение межатомарных сил. Здесь зонд (кантиллевер) прикреплен к концу плоской пружины и его положение определяется величиной отталкивания, которая может быть выражена в Ньютонах. Положение зонда регистрируются по отклонению луча лазера. Разрешение вплоть до 1 Ă. Используется для диэлектрических материалов. Позволяет изучать не только рельеф, но и магнитные, адсорбционные, электростатические свойства.

СОМБП (1992 г.). Принцип работы – регистрация полного отражения света от облученной поверхности на расстояниях много < λ падающего света. Разрешение доведено 20 нм. Позволяет получать информацию о строении поверхности.

Наноструктуры и наноустройства

1. Углеродные нанотрубки. Эта новая кристаллическая форма углерода открытая в 1991 г. Имеют цилиндрическую форму в сечении шестигранник или круг. Диаметр от 0,5 до 10 нм, длина = 1 мкм. Это новое вещество или материал для увеличения степени интеграции полупроводниковых структур и функциональных элементов, для поглощения и удерживания в больших количествах Н₂ (водородная энергетика), материал для низкотемпературных катодов в телевизионной технике, позволяя уменьшить ∆U с 10 KV до 500 V.

2. Устройства записи информации. Максимальная плотность записи на магнитных носителях ограничена 100 Гбит/кв дюйм и практически достигнута. Уменьшение кристаллитов магнитных материалов до 10 нм с индивидуальным управлением и однородной структурой позволит увеличить плотность до 1 Терабита/кв.дюйм (1 домен  1 бит). Другое направление – оптическая запись. Сейчас лазерным лучом (680 нм) достигается плотность до 40 Гбит. Однако за счет излучения ближнего поля можно увеличить плотность записи в 1000 раз. (Длина волны излучения ближнего поля намного меньше рентгеновского излучения). Для технической реализации необходимо сужающее к острию оптическое волокно, в острие которого есть отверстие диаметром несколько десятков нм и острие должно находиться на расстоянии = 10 ÷ 20 нм от записывающего диска. Это позволит обойти дифракционные ограничения. Техника считывания аналогична. Нужны сверхтонкие оптические волокна.

3. Квантовые точки – искусственно созданная область вещества, в которой может храниться небольшое количество электронов. Это позволяет в полупроводниковых устройствах в отличие от существующего потока электронов управлять поведением вплоть до одного электрона. Это позволит создать: одноэлектронные транзисторы, запоминающие устройства (уже есть с памятью 128 Мбит), использовать фотодинамический эффект в медицине. Квантовые точки могут формироваться самосборкой за счет самообразования атомов на поверхности.

4. Наноструктурированные оптической среды (~n) – наностекла  это нанопленки в виде плоских сот, заполненных кристаллитами других материалов. Сочетание аморфной стенки соты и вещества в сотах позволяет изменять оптические свойства (показатель преломления). Это новый принцип записи информации (есть уже с памятью до 100 Гбит/кв.дюйм)

5. Биодатчики (лаборатория на чипе) – микрокапсулы, содержащие вещества, обладающие свойством молекулярной избирательности – т.е находить и присоединяться к заданным органам и тканям и отслеживать реакцию организма. Далее они могут оповещать врача или вводить лекарственные препараты (электронные насосы).

6. Квантовые компьютеры перерабатывают информацию на основе законов квантовой механики, используя представление о кубите (кв. бите информации, базирующееся на комбинации состояний 0 и 1  0+0; 0+1; 1+0; 1+1) вместо 0 и 1. Скорость работы увеличивается во много раз.

7. Интеллектуальные материалы – могут менять свои свойства, основываясь на внешнем ключе (фоторефрактивные полимеры – изменяют пропускание света от освещенности)

8. Самособирающиеся и самовосстанавливающиеся структуры – биоструктуры формируются самосборкой по молекулярному шаблону (кость) и способы залечивать свои повреждения.

9. Преобразователи энергии и новые источники энергии. Элемент Гретцеля (швейцарские часы)  соответствующая молекула окрашенного вещества поглощает квант солнечной энергии и переходит на более высокий энергетический уровень. Далее происходит разделение заряда («-» передается наночастице TiO₂). Затем ей позволяют рекомбинировать, использую электрохимическую реакцию, и поглощенная энергия выделяется в виде электрического тока.

10. Нанофильтрация. Нанокатализаторы. Нанокомпозиционные материалы с высокой прочностью.

11. Инкапсуляция – заключение ферментов, молекул, лекарств в полупроницаемую оболочку и доставка их к месту лечения.

12. Молекулярные моторы - выработки и преобразование энергии молекулярными струями, например аминазинтрифосфатом Na/K (центральный элемент наноструктуры вращается как ротор двигателя).

13. Белковая и генная инженерия

14. Нейроэлектрические интерфейсы соединяют с помощью молекулярных структур нервную систему человека с компьютером. Компьютер может анализировать информацию нервной системы и давать сигналы мозгу.

15. Искусственный фотосинтез.