Наноматериалы: концепция и современные тенденции

Источник материала:

Впервые отчетливо концепция наноматериалов была сформулирована Глейтером, который ввел в научный обиход и сам термин, сначала как нанокристаллические материалы, потом наноструктурные, а также нанофазные, нанокомпозитные и т.д. Главный акцент был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для существенного изменения свойств твердых тел как путем модификации структуры и электронного строения, так и в результате новых возможностей легирования элементами независимо от их химической природы и атомных размеров.

За последние годы идеи наноструктурного материаловедения и само содержание понятия наноматериалы получили серьезное развитие. Кроме традиционных консолидированных наноматериалов, к этим объектам относят также нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, многочисленные углеродные наноструктуры, нанобиоматериалы, супрамолекулярные структуры и катализаторы.

В качестве факторов, определяющих свойства наноматериалов, кроме первоначальных посылок, связанных с определяющей ролью границ раздела, отмечаются также размерные эффекты и совпадение размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Считается также, что верхний размерный предел составляет не несколько нанометров, как предполагалось ранее, а по чисто условным соображениям принимается равным 100 нм. Это связано с тем, что многочисленные исследования выявили значительные и технически интересные изменения физико-механических свойств наноматериалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) в интервале размеров зерен от нескольких нанометров до 100 нм.

При уменьшении размеров материалов до наномасштабов их привычные макроскопические свойства могут значительно изменяться. К примеру, непрозрачные вещества становятся прозрачными (медь), инертные материалы становятся катализаторами (платина), твердотельные материалы становятся жидкими (золото), диэлектрики превращаются в проводники (кремний).

Наноматериалы используются во многих сферах человеческой деятельности - от медицины до космонавтики, но только некоторые из них находят применение в электронике при изготовлении новейших вычислительных систем.

Большой интерес представляют молекулярные соединения - фуллерены, как относительно новая форма существования углерода в природе. Данное соединение является высокосимметричным и состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в один нанометр, и напоминает футбольный мяч. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. По этой причине ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом, по сравнению с традиционным кремнием, является малое время фотоотклика (единицы наносекунд). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость пленок фуллеренов, и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях.

Углеродные нанотрубки являются одной из самых интригующих наноструктур. Они существуют в двух основных формах - одностенные и многостенные нанотрубки. Одностенная углеродная нанотрубка может быть представлена как лист из графита моноатомной толщины, свернутый в трубку, такой листовой графит называют графен. Многостенные нанотрубки состоят из нескольких одностенных трубок, концентрически вставленных одна в другую, их типичный размер составляет 10-40 нм. Нанотрубки имеют обширный перечень привлекательных свойств. Они могут вести себя как полупроводники и проводники, проводят электричество лучше меди, имеют теплопроводность лучше, чем у алмаза, по механической прочности составляют конкуренцию многим известным материалам. Комбинируя нанотрубки и снабжая их управляющими полевыми электродами, можно создавать разнообразные наноэлектронные приборы. Изготовлены прототипы выпрямительных диодов на контакте металлической и полупроводниковой нанотрубок, полевых транзисторов на полупроводниковых нанотрубках, одноэлектронных транзисторов на металлических нанотрубках. Кроме того, они имеют широкое применение в оптоэлектронике при изготовлении недорогих дисплеев, которые отличаются повышенной четкостью изображения и более низким энергопотреблением, что является особенно важным фактором при производстве портативных устройств.

Существует ряд материалов с естественным наноструктурированием, что делает их привлекательными для использования в наноэлектронных и оптоэлектронных приборах. Среди таких материалов - пористый кремний и пористый оксид алюминия.

Ансамбли кремниевых наноструктур, состоящих из квантовых шнуров и квантовых точек, образуются в пористом кремнии. Пористый кремний обладает уникальными физическими и химическими свойствами, которые определяются плотной сетью наноразмерных пор в кристаллической матрице и развитой внутренней поверхностью этих пор. Квантовое ограничение и поверхностные эффекты в наноструктурах пористого кремния приводят к тому, что этот материал демонстрирует достаточно интенсивные фото- и электролюминесценцию. Поры произвольно распределены по толщине пористого слоя, выделение каких-либо наноструктур невозможно, все они действуют в ансамбле. Поэтому практическое применение пористого кремния ограничено оптическими и оптоэлектронными приборами, работа которых основана на статистическом поведении ансамблей квантово-размерных частиц монокристаллического кремния.

Пористый анодный оксид алюминия обладает уникальной собственной структурой, позволяющей изготавливать столбиковые, нитевидные, точечные, конусообразные и другие элементы с нанометровыми размерами, которые невозможно получить и воспроизвести известными методами микрообработки. Данная структура представляет интерес при разработке функциональных слоев для устройств оптоэлектроники, сенсорики, наноэлектроники, при изготовлении фильтров, мембран, фото- и эмиссионных приборов.

По американским прогнозам, мировой рынок нанотехнологической продукции через 10 лет составит около 1 трлн. долларов, при этом доля наноматериалов весьма значительна (около 340 млрд.), что позволяет с оптимизмом смотреть на их будущее. Однако на сегодняшний день остается ряд проблем, сдерживающий бурное развитие нанотехнологий. Уровень понимания основных явлений, характерных для наноструктурного состояния, до сих пор является недостаточным, а, кроме того, до конца не изучены квантовые свойства наноматериалов, которые могут применяться при комнатной температуре. Наконец, существуют опасения относительно токсичности наноматериалов, напрямую связанные с их размерами, а значит, и с крайне высокой удельной площадью, которая обуславливает высокую химическую активность и высокую способность к проникновению в организм.

Павел ПАВЛОВ