Наноструктуризация материалов. Путь к их совершенству

Министерство образования Российской Федерации

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Тема: Наноструктуризация материалов. Путь к их совершенству. 
 
 

Курсовая  работа студентки 1 курса 
специальность: 80105.65 
Воронина М.А., шифр: 07011221020 
Работа сдана: 
Проверил: Радчук Н.Б. 
 

Санкт-Петербург.

2010.

Оглавление

Введение 3

Метод получение наноматериалов - Получение наноматериалов методом равноканального углового прессования 8

Создание наноматериалов кремния и углерода. 8

Применение нанотехнологии: 12

Будущее - за наноструктурированными материалами. 14

Список литературы 15

Введение

Наноструктурированные материалы – одна из важнейших  целей нанотехнолологии на современном этапе. Некоторые такие материалы уже появились на рынке товаров. Огромное число исследований и разработок обещают создать новые наноматериалы с самыми необычными характеристиками в самое ближайшее время.

Наноструктурированные материалы можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым материалам можно отнести (однокомпонентные) наноструктурированные материалы, содержащие в своем составе неупорядоченным (случайным) образом упакованные наноструктуры одинакового химического состава и размера. Как правило, такие материалы формируются на основе использования нанопорошков. Группа простых наноструктурированных материалов велика, технологии их получения просты. К простым материалам можно отнести наномодифицированные косметические материалы (кремы для загара, содержащие в своем составе наночастицы окиси циркония), защитные покрытия на текстильных материалах или других изделиях, смазочные покрытия, краски, лекарственные материалы, продукты питания, упаковочные материалы, бумагу, мембранные материалы, компактироваемые наноструктурированные керамики, разнообразные нанокомпозитные пленки, объемные нанокомпозитные материалы и т.д. Свойства простых материалов определяются в значительной степени свойствами наноструктур, включенных в материал. Сами наноструктуры могут быть как однородными по химическому составу, простыми по форме и простыми по архитектуре, так и многокомпонентными и сложными по архитектуре. Простые наноструктурированные материалы – это материалы первого поколения. По мнению большинства экспертов, именно простые наноструктурированные материалы будут доминировать в сфере производства наноструктурированных материалов в ближайшие годы. Именно на их долю будет приходиться 5 % мирового ВВП к 2015 г.

Простые наноструктурированные материалы  имеют улучшенные характеристики по сравнению с ненаноструктурированными материалами того же назначения. В большинстве случаев использование наноструктур вместо микроструктур, применяемых в материалах до последнего времени, приводит к улучшению свойств материала.

Сложные наноструктурированные материалы  можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы. Иерархически организованные материалы содержат субструктуры разного уровня масштаба, вложенные друг в друга (типа «русской матрешки»). Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно такие материалы в будущем будут основными. Биологические материалы относятся к «сложным» материалам и именно иерархичность их строения определяет их уникальные свойства и, в первую очередь, «разнообразие» их свойств при «однообразии» их химического состава. Примером искусственно созданных материалов, имеющих иерархическое строение, которые находят применение, являются фотонные кристаллы и микроструктурированные волокна

Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных  материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.

Развитие  наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению  уровня технологии и созданию новых  функциональных устройств.

Определяющими характеристиками являются характерные  размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.

Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой  механике и необходимости использования  синергетических подходов.

Прогресс  в микроэлектронике – повышение  функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает  ситуация, когда все в большей  мере проявляется волновая природа  электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.

Традиционная  кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.

В магнитных  многослойных наноструктурах с чередующимися  ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.

Молекулярные  наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.

Фотонные  материалы – это упорядоченные  системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии.

Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое  изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.

Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.

В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху –  вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.

Основу  приборов молекулярной наноэлектроники  составляют молекулярные кластеры или  отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.

Нанотехнология  позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.

В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные  квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся  спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.

При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии. 

Метод получение наноматериалов - Получение наноматериалов методом равноканального углового прессования

Показан процесс получения наноматериалов используя метод равноканального углового прессования (РКУП) и повышение ударной вязкости образцов после РКУП, а также применение изделий из наноструктурированной стали. Получены метизные изделия из наноструктурированной стали. 1. Область применения Трубопроводный, железнодорожный, автомобильный транспорт, газонефтедобывающая промышленность – хладостойкие, износостойкие, с высоким пределом усталости метизные изделия: разъемные соединения деталей машин и элементов конструкций. В области энергетики – износоустойчивые механические форсунки горелок котельных и др. 2. Характеристика Увеличение сопротивления болтового соединения разрыву и срезу. Метизные изделия – болты и гайки изготовлены из ультрамелкозернистой стали, полученной интенсивным пластическим деформированием (ИПД), а также ИПД и термической обработкой обеспечивают увеличение прочностных характеристик изделия примерно в 2 раза. 3. Научно-технический уровень Изготовлена опытная партия болтов и гаек. Болтовое соединение прошло лабораторные испытания. После обработки методом РКУП повышаются механические характеристики материала, улучшается качество обрабатываемых заготовок.

Создание  наноматериалов кремния  и углерода.

Среди наноструктурированных материалов, над созданием которых работают казахстанские ученые, можно выделить кремний и углерод. Материалы  на основе кремния, ориентированные  на использование в основном в  энергетике, разрабатывает преимущественно НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби (см. раздел «Кремнийсодержащие материалы»), углеродсодержащими материалами занимается в большей степени по сравнению с другими НИИ и вузами Институт проблем горения при КазНУ (7 отчетов о НИОКР из 18 и 2 диссертации). Синтезируются продукты многофункционального назначения.                               

 Среди  наноструктурированных  материалов,  над созданием которых работают казахстанские ученые, можно выделить кремний и углерод. Материалы на основе кремния, ориентированные на использование в основном в энергетике,  разрабатывает преимущественно НИИ экспериментальной и теоретической физики при КазНУ им. аль-Фараби (см. раздел «Кремнийсодержащие материалы»), углеродсодержащими материалами занимается в большей степени по сравнению с другими НИИ и вузами Институт проблем горения при КазНУ (7 отчетов о НИОКР из 18 и 2 диссертации). Синтезируются продукты многофункционального назначения.

    В диссертации М А. Бийсенбаевой получены нано-структурированные углеродные образования при пиролизе углеводородов  на катализаторах и карбонизации растительного сырья. Разработаны  способы синтеза наноуглеродных   материалов-сорбентов. Предложен механизм роста нитевидных наноразмерных форм каталитического углерода. 

    В следующей работе опробован экспериментальный  образец сорбента, сформулированы принципы получения наноструктурированных  материалов. На поверхности сорбентов  выявлены 7 разновидностей наночастиц, выведены зависимости их роста от химического состава и структурной упорядоченности исходных матриц. Зафиксированы   фуллеритовые частицы и фуллереновые структуры. Показано наличие   нанотрубок, имеющих неграфитовую структуру.  Создан атлас наноструктурированного вещества.         

    Изучены условия образования углеродных нанотрубок и фуллеренов из углеродсодержащего газа в процессе термохимической  переработки в плазмохимическом реакторе постоянного тока. Разработаны технологические рекомендации по получению углеродных нанотрубок и фуллеренов.

    В четвертой диссертации cинтез наночастиц осуществлялся в углеводородном пламени с добавкой катализатора. Получены образцы углеродных нанотрубок и нанонитей, а в 5] синтезирован волокнистый углерод наряду со cтруктурами другой морфологии. Предложен  «магнитный» механизм образования и роста наноструктурированных форм углерода .

    В 6 - разработан метод получения наноструктурированного     углерода для химических  источников тока .

    После разрабатывается плазменный метод  получения перспективных новых материалов из углеводородных газов  - наноуглеродных трубок и фуллеренов широкого назначения. Изучены закономерности и условия образования наноструктур в      плазмохимическом реакторе постоянного тока. Испытана опытная   установка на базе плазмохимического реактора с пироуглеродными электродами. Разработаны технологические рекомендации по получению наноуглеродных композитов.

    Некоторые исследования направлены на разработку полупроводниковых материалов нового поколения. Так, в Институте органического катализа и электрохимии (ИОКЭ) им. Д. В. Сокольского разработаны комплексные электролиты для электроосаждения тонкопленочного полупроводникового соединения CdTe с нанокристаллической структурой без посторонних примесей. В рамках НИР «Метод получения тонких пленок полупроводников для солнечных элементов» в ИОКЭ разработана технология изготовления наноструктурного  материала CdTe, который может быть использован в гетеро-структурном солнечном элементе.

    Синтезированы сложные трехкомпонентные висмутиты  на основе оксидов висмута, щелочноземельных и редкоземельных элементов. Сложный висмутит EuCaBiO4 является активным фотолюминесцентным материалом и широкозонным полупроводником и может быть использован в производстве тонких пленок в качестве оптического материала в электронной промышленности. EuCaBiO4 относится к числу наноматериалов и рекомендован к применению в производстве опто-волоконных материалов.

    На  основе кварца методом механохимического  синтеза получены порошки: наноразмерные соединения на поверхности кварцевых частиц с участием различных химических элементов, выполняющие роль защитных покрытий на металлической поверхности; разработан способ получения магнитного адсорбента на основе золошлака для очистки воды.

    С целью получения наноструктурных  материалов с повышенными механическими свойствами и ультрамелкозернистой структурой разрабатываются новые способы обработки металлов давлением с применением интенсивной   сдвиговой деформации.  Прессованием получены заготовки из стали 45 с механическими свойствами, не уступающими дорогим легированным сталям.

    В Институте химических наук им. А. Б. Бектурова исследованы особенности синтеза новых неорганических нано-структурированных фосфат-, сульфат- и гуматсодержащих соединений и выявлены основные закономерности взаимодействия компонентов при получении новых материалов полифункционального назначения и комплексных туков.  Установлена взаимосвязь состава и свойств гуматсодержащих продуктов.

    В Южно-Казахстанском  государственном  университете им. М. О. Ауэзова исследованы люминесцентные свойства  наноструктур на основе  комплексных кислородсодержащих соединений металлов, полученных золь-гель методом и методом низкотемпературного синтеза; разработана технология  получения люминофоров на основе плазменных процессов.

    Разработка  и исследование  механических, электриче-ских и  оптических свойств диэлектрических   наноматериалов электронной техники (кристаллов и окислов  с включением наноматериалов типа ZnS, CdS, металлических частиц,  нанопорошков из Cd, Al) в поле радиации проводятся в КазНУ им. аль-Фараби. Разработана физическая модель изменения свойств в полях мощного ионизирующего излучения на примере диэлектриков с учетом влияния дефектности среды.

    Осуществлена  трехмерная поликонденсация пиролизата  рисовой шелухи, пирокатехина и формальдегида. Разработана технология получения наноструктурных полимерных материалов для реализации  высокоселективных и высокоскоростных процессов сорбции и ионного обмена в различных отраслях.

    Золь-гель-методом  синтезированы наноструктурированные  пленки оксида олова. Исследованы структура, оптические электрические характеристики пленок. Разработаны режимы плазменной обработки прозрачных наноразмерных пленок диоксида олова.

    Казахстанские ученые работают также над получением алмазных кластеров и наноматериалов плазмохимических порошков для получения пористой керамики на основе диоксида  циркония, углеродных нановолокон, нанотруб путем каталитического пиролиза метана  биосовместимого титана с нанокристаллической структурой.

Применение  нанотехнологии:

К примеру, для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации.

Уменьшение  размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.

Такие нанопроцессы делают возможным конструирование  сверхминиатюрных электронных устройств.   
 
 
 
 
 
 
 

Будущее - за наноструктурированными материалами.  
 
Однако британские исследователи нашли выход из тупика. Они обнаружили, что магнетокалорические свойства материала зависят не только от его химического состава, но и от его структуры. Мельчайшие дефекты кристаллической решетки, то есть наличие неких свободных атомов, не желающих упорядочиваться, резко усиливают охлаждающий эффект при размагничивании. Причем такие дефекты, такие включения легко получить искусственным путем и тем самым обойтись без драгоценного гадолиния.  
 
"Наши исследования свидетельствуют о том, что в принципе возможно получение материала, как бы скроенного по нашей мерке, то есть обладающего нужными нам свойствами, - говорит Лесли Коэн. - Такой процесс называется наноструктуризацией. С его помощью мы намерены оптимизировать поведение парамагнетиков в магнитном поле и добиться более сильного эффекта охлаждения".  
 
С точки зрения эффективности превращения электроэнергии в холод магнитные холодильники уже сегодня превосходят компрессорные. В ходе лабораторных испытаний прототипа такой магнитной холодильной установки коэффициент ее полезного действия составил 60 процентов - притом, даже у лучших моделей традиционных аппаратов этот показатель едва достигает 40 процентов. Лесли Коэн считает это важнейшим аргументом в пользу нового холодильника: "Задача энергосбережения сегодня актуальна как никогда, и тут наша разработка будет как нельзя более кстати. Ведь в одних только США половина всей потребляемой летом энергии расходуется холодильниками и кондиционерами".

Список  литературы

1. Елинсон  М.И. Исследования физических  проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.

2. Третьяков  Ю.Д. Процессы самоорганизации  в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.

3. Андриевский  Р.А. Наноматериалы: концепция  и современные проблемы // Российский  химический журнал. 2002. Т.46, №5.

4. Шабанова Т. А. Химическая физика, структура и морфология поверхности наноуглеродных материалов.2005

5. Стацюк В. Н. Адсорбция и электродные процессы комплексов металлов с гетероциклическими аминами.2005