Квантовая инженерия в наномире

Понятие наномир вошло в научный оборот сравнительно недавно и определяет мир объектов, размеры которых лежат в пределах 10 ^-9 м. Изучение наномира связано с возможностью нового витка промышленной революции, которая должна привести к изобилию новых по своим техническим и потребительским качествам изделий, изменению качества жизни человека и общества.

В основе идеи новой технической революции лежат представления о нанотехнологиях, т.е. производственных технологиях с использованием объектов наноуровня. Этот термин был предложен в 1974г. и определял тогда технологические приемы обработки макроскопических деталей с наномерными допусками. В 80-е годы прошлого столетия это понятие опредилило новое междисциплинарное научное направление, связанное с изучением возможностей использования физических, химических и биологических явлений для создания материалов и устройств, свойства которых определяются их структурой нанометровом диапозоне. Международный стандарт «Терминология для технологии», принятфй в 2006 г., включает в себя такие термины как: нанотехнологии, нанонаука.

Постепенно через средства массовой информации в сознание современного человека проникает термин квантовая инженерия, которая обуславливает формирование новых электронных устройств на основе квантовых свойств материи.

Изучение явлений окружающего мира на атомно-молекулярном уровне началось еще в начале прошлого века Ричард Фейнман сформулировал представления о нанообъектах и возможностях их конструирования. Постепенно по мере накопления практического и научного опыта в научном сообществе окрепла идея уникальных особенностей поведения вещества на атомном уровне, которые можно использовать практически в макромасштабах реально мира человека.

В настоящее время в рамках нанотехнологий основополагающими принципами являются следующие утверждения:

- предельная миниатюризация устройств и их элементов, которая придает этому устройству принципиально новые свойства и качества;

- управление свойствами и качествами макроскопических объектов за счет направленного изменения их структуры на наноуровне.

В практике человеческой деятельности неосознанно использовались нанотехнологии и раньше. Но в настоящее время объемы наностуктурированных материалов становятся весьма значимыми как экономически, так и социально и экологически.

Для того, чтобы объекты наноразмеров, необходимо определять их характеристики – форму, структуру, состав локальных областей и др. Следовательно их необходимо видеть, что ограничено возможностями оптической микроскопии, предельное разрешение которой 0,0002 мм, а достигаемое увеличение не превышает 1000 кратного.

Решение этой проблемы получено при использовании пучков электронов, в зависимости от энергии которых отвечающая им длина волны может составлять 10^-2 – 10^-3 нм. Необходимо отметить, что процессы взаимодействия электронов с веществом отличаются большим разнообразием: упругое рассеивание, люминисценция в видимой области, рентгеновское излучение, появление выбитых вторичных электронов.

Остановимся на рассмотрении просвечивающего электронного микроскопа, в котором электронно-оптическая система создает сфокусированный электронный пучок, проходящий через исследуемый образец. Полученное в результате взаимодействия электронов и образца распределение электронов фокусируется на флюоресцирующий экран или фотопластинку. Разрешающая способность такого микроскопа составляет несколько десятых нанометра. Принципиальное устройство просвечивающего электронного микроскопа показано на рис. 5.10.

Объект исследования

Электронная оптика

Изображение

Рис.5.10. Принципиальное устройство просвечивающего электронного микроскопа.

Еще большие возможности дает сканирующий туннельный микроскоп, схема которого представляет иглу с предельно тонким острием и исследуемый образец, к которым приложено постоянное напряжение рис.5.12. Принцип его действия основан на эффекте квановомеханического туннелирования рис.5.11.

Рис.5.11. Схема туннелирования электрона через потенциальный барьер

Рис.5.12. Принципиальная схема сканирующего туннельного микроскопа

При расстоянии между иглой и образцом в пределах нанометров между ними возникает туннельных ток, который резко зависит от этого расстояния. По величине тока можно в деталях определить рельеф объекта.

Вопросы и задания для закрепления знаний:

1. В чем сущность эффекта Комптона?

2. Как устроен атом с точки зрения современного естествознания?

3. Как объяснить наличие серии Бальмера в спектре атома водорода с точки зрения квантовой теории?

4. Сформулируйте гипотезй Луи де Бройля и приведите примеры ее экспериментального подтверждения.

5. Каковы задачи квантовой инженерии?

Лекция 6.