Что могут нанотехнологии

Что могут нанотехнологии

На наших глазах фантастика становится реальностью – люди научились перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Появилась целая отрасль знаний - НАНОТЕХНОЛОГИИ, впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Нанотехнология не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. О том, что может нанотехнология рассказано в этом научно-популярном обзоре.

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Размер объектов, с которыми имеют дело нанотехнологи, лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Диаметр эритроцитов – 7000 нм, а толщина человеческого волоса – 80 000 нм.

Нанометр очень и очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли.

С ЧЕГО ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ

Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции

Самолёты, ракеты, телевизоры и компьютеры изменили окружающий мир в 20 веке. Учёные утверждают, что в наступившем 21-м веке стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, сделанные с использованием нанотехнологий. Идея о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в выступлении речи лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте ("Там, внизу, полно места!"). Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров». Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например, в 2000 г., люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьёзно к исследованиям наномира. По словам Фейнмана человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним живёт целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. Ну, а если мы не видим эти объекты, то мы не можем и работать с ними.

Тем не менее, мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки – кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях – одни оказываются в ядре, другие – в цитоплазме, а третьи – в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.

Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров. «Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем. Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т. п. Рост числа элементов приведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ.»

Позвав учёных в наномир, Фейнман сразу же предупреждает о тех препятствиях, которые их там ожидают, на примере изготовления микроавтомобиля длиной всего 1 мм. Так как детали обычного автомобиля сделаны с точностью 10-5 м, то детали микроавтомобиля следует изготовлять с точностью в 4000 раз выше, т.е. 2,5.10-9 м. Таким образом, размеры деталей микроавтомобиля должны соответствовать расчётным с точностью ± 10 слоёв атомов.

Наномир не только полон препятствий и проблем. Нас в наномире ожидают и хорошие новости - все детали наномира оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса нанообъектов уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, а площадь их поперечного сечения – пропорционально второй степени. Значит, механическая нагрузка на каждый элемент объекта – отношение веса элемента к площади его поперечного сечения – уменьшается пропорционально размерам объекта. Таким образом, пропорционально уменьшенный наностол обладает в миллиард раз более толстыми наноножками, чем это необходимо.

Фейнман считал, что человек сможет легко освоить наномир, если создаст машину-робота, способного делать уменьшенную, но работоспособную копию самого себя. Пусть, например, мы научились делать робот, который может без нашего участия создавать свою уменьшенную в 4 раза копию. Тогда уже этот маленький робот сможет сделать копию первоначального, уменьшенную уже в 16 раз и т.д. Очевидно, что 10-е поколение таких роботов будут создавать роботы, размеры которых будут в миллионы раз меньше первоначальных (см. рис.1).

Рисунок 1. Иллюстрация концепции Р. Фейнмана, предлагавшего, чтобы роботы научились автономно делать свои уменьшенные копии. Тогда человечество завоюет наномир. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 84.

Конечно, по мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Ничтожный вес деталей наноробота приведёт к тому, что они будут прилипать друг другу под действием сил межмолекулярного взаимодействия, и, например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания. Однако известные нам законы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

Чтобы как-то стимулировать создание микрообъектов, Фейнман обещал заплатить 1000 долларов тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (1 дюйм » 2,5 см). И совсем скоро такой микромоторчик был создан (см. рис.2). С 1993 года премия имени Фейнмана присуждается ежегодно за выдающиеся достижения в области нанотехнологий.

Рисунок 2. Ричард Фейнман предсказал появление нанотехнологий ещё в 1959 году, выступая с лекцией «Там, внизу, полно места!» в Калифорнийском технологическом институте. На фото слева Р. Фейнман рассматривает с помощью микроскопа сделанный микромотор, размером 380 мкм, показанный на рисунке справа. Вверху на рисунке справа показана головка булавки. Взято из фотоархива Калифорнийского технологического института http://physicsweb.org/articles/world/14/2/8/1/pw1402081

В своей лекции Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». При этом, как считал Фейнман, физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.

Машины созидания Эрика Дрекслера

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским учёным Эриком Дрекслером (см. рис.3) в начале 1980-х годов и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии». Вот, как начинается его книга.

Рисунок 3. Эрик Дрекслер – автор книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии», ставший первым классиком нанотехнологии. (фото взято из журнала Scientific American, 2001, Sept, p.74).

«УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань - на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами. Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупые, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.

Но законы природы дают много возможностей для прогресса, и давление мировой конкуренции всегда толкает нас вперед. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории ожидает нас впереди.»

По определению Дрекслера нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Как считают многие специалисты, в течение следующих 50-ти лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча таких наномашин вполне смогут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. Чтобы собирать наномашины, необходимо:

(1) научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место.

(2) разработать сборщики (assemblers) – наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами так, как это объяснено в п.1, по программам, написанным человеком, но без его участия. Так как каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то по оценкам учёных необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени.

(3) разработать репликаторы – устройства, которые бы изготовляли наносборщики, т.к. их придётся изготовить очень и очень много.

Если п.п. 1-3 будут выполнены, то в недалёком будущем мы, может быть, будем использовать механическую передачу от одной группы атомов к другой, как это изображено на рис.4.

Как войти в наномир

Учёные и технологи уже давно стремятся в мир маленьких размеров, особенно, те из них, которые разрабатывают новые электронные приборы и устройства. Чтобы электронное устройство было умным и надёжным, оно должно состоять из огромного числа блоков, а значит, содержать тысячи, а иногда и миллионы транзисторов.

При изготовлении транзисторов и интегральных схем применяется оптическая фотолитография. Суть ее в следующем. На окисленную поверхность кремния наносится слой фоторезиста (полимерный светочувствительный материал), и затем на него накладывается фотошаблон - стеклянная пластинка, на одной стороне которой размещен рисунок элементов интегральной схемы (см. рис. 5).

Рисунок 5. Фотошаблон для интегральной схемы электронных часов.

Пучок света проходит через фотошаблон, и там, где черного цвета нет, свет попадает на фоторезист и засвечивает его (см. рис. 6).

Рисунок 6. Схема изготовления микросхем с использованием фотолитографии (слева направо). Сначала делают фотошаблон, для чего освещают лучом лазера стеклянную пластинку, покрытую слоем хрома и фоторезиста, а потом удаляют освещённые части фоторезиста вместе хромом. Шаблон помещают в параллельном пучке ультрафиолетового света, который фокусируется линзой и падает на поверхность кремниевой пластинки, покрытой тонким слоем окиси кремния и фоторезиста. Последующие термическая и химическая обработка позволяют создать сложную двумерную картину бороздок, необходимую для сборки электронной схемы. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p.41.

После этого все те участки фоторезиста, которые не обрабатывались светом, удаляются, а те которые освещались, подвергаются термообработке и химическому травлению. Таким образом, на поверхности окисла кремния образуется рисунок, и пластинка кремния готова, чтобы стать основной частью электронной схемы.

  Транзистор был изобретен в 1947 году, и тогда его размеры составляли около 1 см. Совершенствование фотолитографических методов позволило довести размер транзистора до 100 нм. Однако основой фотолитографии является геометрическая оптика, а значит, с помощью этого метода невозможно провести две параллельные прямые на расстоянии, меньшем длины волны. Поэтому сейчас при фотолитографическом изготовлении микросхем используют ультрафиолет с малой длиной волны, но дальше уменьшать длину волны становится дорого и сложно, хотя современные технологии уже используют электронные пучки для создания микросхем.

Внедрение в мир наноразмеров, по которому шли изготовители микросхем до сих пор, можно назвать дорогой «сверху вниз». Они используют технологии, хорошо себя зарекомендовавшие в макромире, и лишь пытаются менять масштаб. Но есть и другой путь – «снизу вверх». А что, если заставить сами атомы и молекулы самоорганизовываться в упорядоченные группы и структуры размером в несколько нанометров?

Примерами самоорганизации молекул, образующих наноструктуры,  являются углеродные нанотрубки, квантовые точки и дендримеры, более подробно о которых будет сказано ниже.

ИНСТРУМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Как двигать атомы с помощью микроскопа

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы - атомно-силовой микроскоп и работающий по аналогичному принципу сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) была разработана Г. Биннигом и Г. Рорером, которым за эти исследования в 1986 была присуждена Нобелевская премия. Создание атомно-силового микроскопа, способного чувствовать силы притяжения и отталкивания, возникающие между отдельными атомами, дало возможность, наконец, «пощупать и увидеть» нанообъекты.

Рисунок 7а. Остриё шипа (верх, взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 32.) и принцип работы сканирующего зондового микроскопа (взято из http://www.nanometer.ru/2007/06/06/atomno_silovaa_mikroskopia_2609.html#). Пунктиром показан ход луча лазера. Остальные объяснения в тексте.

Основой АСМ (см. рис. 7а) служит микрозонд, обычно сделанный из кремния и представляющий собой тонкую пластинку-консоль (ее называют кантилевером, от английского слова "cantilever" - консоль, балка). На конце кантилевера (длина - 500 мкм, ширина - 50 мкм, толщина – 1 мкм) расположен очень острый шип (высота – 10 мкм, радиус закругления от 1 до 10 нм), оканчивающийся группой из одного или нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность АСМ метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.

Другая группа сканирующих зондовых микроскопов для построения рельефа поверхности использует так называемый квантово-механический «туннельный эффект». Суть туннельного эффекта состоит в том, что электрический ток между острой металлической иглой и поверхностью, расположенной на расстоянии около 1 нм, начинает зависеть от этого расстояния – чем меньше расстояние, тем больше ток. Если между иглой и поверхностью прикладывать напряжение 10 В, то этот «туннельный» ток может составить от 10 нА до 10 рА. Измеряя этот ток и поддерживая его постоянным, можно сохранять постоянным и расстояние между иглой и поверхностью. Это позволяет строить объёмный профиль поверхности (см.  рис. 7б). В отличие от атомно-силового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп может изучать только поверхности металлов или полупроводников.

Рисунок 7б. Игла сканирующего туннельного микроскопа, находящаяся на постоянном расстоянии (см. стрелки) над слоями атомов исследуемой поверхности.

Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Если напряжение между иглой микроскопа и поверхностью образца сделать в несколько больше, чем надо для изучения этой поверхности, то ближайший к ней атом образца превращается в ион и "перескакивает" на иглу. После этого слегка переместив иглу и изменив напряжение, можно заставить сбежавший атом "спрыгнуть" обратно на поверхность образца. Таким образом, можно манипулировать атомами и создавать наноструктуры, т.е. структуры на поверхности, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля (см. рис.8).

Рисунок 8. Сложенное из 35 атомов ксенона на пластинке из никеля название компании IBM, сделанное сотрудниками этой компании с помощью сканирующей зондового микроскопа в 1990 году.

С помощью зондового микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации. Например, если на металлической пластине находится капля воды, содержащая ионы тиолов, то зонд микроскопа будет способствовать такой ориентации этих молекул, при которой их два углеводородных хвоста будут обращены от пластины. В результате, можно выстроить монослой тиольных молекул, прилипших к металлической пластине (см. рис. 9).

Рисунок 9. Слева – кантилевер (серый) сканирующего зондового микроскопа над металлической пластинкой. Справа – увеличенное изображение области (обведена белым на рисунке слева) под зондом кантилевера, на которой схематически показаны молекулы тиола с серыми углеводородными хвостами, выстраивающимися в монослой у кончика зонда. Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 44.

Лазерный нанопинцет

Рисунок 10. Слева – луч лазера падающий сверху на линзу, фокусируется внутри капли. При этом на каждую частицу, находящуюся в воде, действуют силы (оранжевые стрелки), результирующая которых (зелёная стрелка) всегда направлена к фокусу. Справа - сложенные с помощью лазерного пинцета различные узоры из гелевых наночастиц.

Вверху – установка «лазерный пинцет». Взято из Scientific American, 1998, Apr, p. 62.

Лазерный (или оптический) пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов. Вблизи точки фокусировки лазерного луча свет тянет к фокусу всё, что находится вокруг (см. рис. 10 слева). Сила, с которой свет действует на окружающие объекты, невелика, но ее оказывается достаточно, чтобы ловить наночастицы в фокус лазерного луча. Как только частица оказалась в фокусе, ее можно двигать вместе с лазерным лучом. С помощью оптического пинцета можно передвигать частицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры (см. рис. 10 справа).  Есть все основания считать, что в дальнейшем лазерный пинцет станет одним из мощных инструментом нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки

Рисунок 11а. Слева – схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки; справа (сверху вниз) – двухслойная, прямая и спиральная нанотрубки.

Многие перспективные направления в нанотехнологии связываются с углеродными нанотрубками. Это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Углеродные нанотрубки – это протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки (рис. 11а). Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. В настоящее время наиболее распространённым методом получения нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, и на торцевой поверхности катода образуется слой из углеродных нанотрубок. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода.

Рисунок 11б. Структура графита - слои из атомов углеродов, соединённых друг с другом.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах (рис. 11б). А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов - что, конечно, слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры!

Ориентировать и собирать нанотрубки в упорядоченные структуры очень сложно. Для этого используют самые необычные технологии. Например, короткие нанотрубки растворяют в эпоксидной смоле, и пока она не затвердела, выдувают из неё огромный пузырь (25´50 см), придерживая его с боков плоскими пластинками из пластика. Как показали исследования, в затвердевших участках тонкой эпоксидной плёнки, прилипших к удерживающим пластинам, нанотрубки ориентированы параллельно друг другу в вертикальном направлении (см. рис. 11в)

Рисунок 11 в. Из эпоксидной смолы, содержащей беспорядочно ориентированные нанотрубки, выдувают пузырь (верх), застывая в плёнке которого, они ориентируются параллельно друг другу в вертикальном направлении (низ). Взято из http://www.newscientisttech.com/channel/tech/dn11942-bubbles-offer-solution-to-nanotube-tangles.html.

Несмотря на то, что приручение нанотрубок только начинается, уже и сейчас в продаже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют нанотрубки и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

Необычные электрические свойства нанотрубок могут сделать их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы транзисторов, состоящие из одной нанотрубки, ведь прикладывая напряжение в несколько вольт, можно изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.

Что такое нанопроволоки, и как их получают?

Нанопроволоками называют проволоки с диаметром несколько десятков и менее нанометров (нм), изготовленные из металла, полупроводника или диэлектрика. Длина нанопроволок часто может превышать их диаметр в 1000 и более раз. Нанопроволоки часто называют одномерными структурами, а их чрезвычайно малый диаметр (около 100 размеров атома) даёт возможность проявляться различным квантово-механическим эффектам. Поэтому нанопроволоки иногда называют «квантовыми проволоками». Уникальные электрические и механические свойства нанопроволок создают предпосылки для их использования в будущих наноэлектронных и наноэлектромеханических приборах, а также в качестве элементов новых композитных материалов и биосенсоров.

В природе нанопроволок не существует. В лабораториях нанопроволоки чаще всего получают методом эпитаксии, когда кристаллизация вещества происходит только в одном направлении. Например, нанопроволоку из кремния можно вырастить так, как это показано на рисунке (слева).

Подпись к рисунку. Слева – получение кремниевой нанопроволоки (розовая) методом эпитаксии с помощью золотой наночастицы в атмосфере SiH4.

Наночастицу золота помещают в атмосферу газа силана (SiH4), и эта наночастица становится катализатором реакции распада силана на водород и жидкий кремний. Жидкий кремний скатывается с наночастицы и кристаллизуется под ней. Если концентрация силана вокруг наночастицы поддерживается неизменной, то процесс эпитаксии продолжается, и всё новые слои жидкого кремния кристаллизуются на его уже затвердевших слоях. В результате, нанопроволока из кремния растёт, приподнимая наночастицу золота всё выше и выше. При этом, очевидно, размер наночастицы определяет диаметр нанопроволоки. Справа на рис.1 показан лес из ZnO нанопроволок, полученных аналогичным образом.

Квантовые точки – рукотворные атомы наноразмеров

Способностью собираться вместе и образовывать структуры наноразмеров обладают не только атомы углерода, но многие другие атомы. При этом объединяться, конечно, могут не только одинаковые атомы или молекулы, но и разные. Им надо, просто, помочь. Стремясь друг к другу и образуя такие структуры, атомы и молекулы уменьшают потенциальную энергию взаимодействия друг с другом. Стремление к минимуму потенциальной энергии – общий принцип функционирования всех систем. Поэтому, если электрону в атоме сообщить энергию, то он сначала перейдёт на более высокую орбиту, но спустя очень небольшое время окажется опять на более низкой, так она соответствует минимуму потенциальной энергии атома. При этом энергия, от которой избавился атом, переходя в более низкое энергетическое состояние, излучается в виде кванта энергии определённой частоты. Атом, как и всё вокруг стремится оказаться на дне ближайшей потенциальной ямы.

Потенциальные ямы могут быть рукотворными и их можно сооружать, например, для электронов проводимости полупроводников. В разных полупроводниках, чтобы стать таким электроном общего пользования, необходима различная энергия, т.н. ширина запрещённой зоны. Поэтому, если вставить нанослой полупроводника А с узкой запрещённой зоны между образцами другого полупроводника Б, обладающего широкой запрещённой зоной, то некоторые электроны проводимости полупроводника А не смогут перейти в полупроводник Б и окажутся запертыми в пределах своего слоя. Это значит, что такая структура, которую называют гетероструктурой, оказалась для этих электронов потенциальной ямой.

Атомы, объединяясь в гетероструктуру, продолжают жить по законам квантовой физики. Это значит, что потенциальная энергия этой гетероструктуры может изменяться только дискретным образом. При этом, когда гетероструктура из атомов переходит из одного состояния в другое, то она излучает квант света той длины волны, которая соответствует разности энергий между этими состояниями.

Рисунок 12а. Образование квантовой точки при внесении GaAs (зелёный овал) в ямку прямоугольной формы в AlAs. Внизу - потенциальная яма с двумя энергетическими уровнями Е0 и Е1, переход между которыми соответствует жёлтому кванту света.

Одним из способов заставить атомы объединяться в гетероструктуру – сделать микронеоднородность, т.е. что-то изменить в какой-то точке, и тогда эта область может оказаться более предпочтительной для группы каких-то атомов. Неоднородность можно сделать, например, с помощью фотолитографии – сначала вытравить маленький кусочек поверхности (сделать ямку) в AlAs, а потом положить в эту ямку GaAs (рис.12а). Если «встряхнуть» такую гетероструктуру, передав ей квант энергии, её потенциальная энергия увеличиться ступенчато с Е0 до Е1. В «приподнятом» состоянии гетероструктура пробудет недолго и потом снова свалится на самый нижний уровень, излучив в данном случае жёлтый квант света.

Рисунок 12б. Объёмное изображение квантовой точки, представляющей собой пирамидку их атомов германия, спонтанно образовавшуюся на кремниевой подложке.

Объёмное изображение другой гетероструктуры, напоминающей пирамидку показано на рис. 12 б. Эта пирамидка из атомов германия образовалась, когда были созданы условия для прилипания атомов германия друг к другу на поверхности подложки из кремния.

  Гетероструктуры, аналогичные тем, что показаны на рис. 12, назвали «квантовыми точками». Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы» имеющие наноразмеры. Ведь электроны в атомах, переходя с одной орбиты на другую, тоже излучают квант света строго определённой частоты. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр излучения мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от нас.

Оказалось, что длина волны, излучаемая квантовой точкой, пропорциональна её размеру. Чем больше размер квантовой точки, тем меньшую частоту она излучает. Похожая ситуация и у математического маятника – чем больше длина нити, тем меньше частота его собственных колебаний. Таким образом, если сделать по одинаковой технологии квантовые точки разных размеров и сделав взвесь, поместить их в разные пробирки, то эти пробирки будут светиться разным светом, хотя все они облучаются монохроматическим светом одной длины волны (см. рис. 13).

Рисунок 13. Зависимость цвета, которым светятся квантовые точки, от их размера.

Сейчас разработан метод самосборки квантовых точек из атомов и молекул в растворе. Например, реакция между ионами кадмия и селена, идущая в присутствии органических молекул, приводит к образованию квантовой точки (см. рис. 14).

Рисунок 14. Самосборка квантовой точки (слева направо), происходящая при реакции ионов кадмия (фиолетовые шарики) и селена (зелёные) в присутствии органических молекул (красные с голубыми хвостиками). Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 46.