НАНОСТРУКТУ́РЫ

НАНОСТРУКТУ́РЫ, со­би­ра­тель­ное на­зва­ние объ­ек­тов (ве­ществ, ма­те­риа­лов, кон­ст­рук­ций) ис­кусств. или ес­теств. про­ис­хо­ж­де­ния, пред­став­ляю­щих со­бой со­во­куп­ность эле­мен­тов, раз­ме­ры ко­то­рых в од­ном, двух или трёх на­прав­ле­ни­ях со­из­ме­ри­мы с фун­дам. фи­зич. па­ра­мет­ра­ми, имею­щи­ми раз­мер­ность дли­ны. Та­ки­ми па­ра­мет­ра­ми яв­ля­ют­ся: дли­на сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на, деб­рой­лев­ская дли­на вол­ны, раз­мер маг­нит­ных до­ме­нов, раз­мер эк­си­то­на в по­лу­про­вод­ни­ках, дли­на ко­ге­рент­но­сти в сверх­про­вод­ни­ках, дли­на вол­ны уп­ру­гих ко­ле­ба­ний в кон­ден­си­ров. ве­ще­ст­ве и др. Раз­мер со­став­ляю­щих струк­тур­ных эле­мен­тов Н. ле­жит в пре­де­лах от не­сколь­ких на­но­мет­ров до не­сколь­ких де­сят­ков на­но­мет­ров и не пре­вы­ша­ет 100 нм. Свой­ст­ва Н. оп­ре­де­ля­ют­ся не толь­ко раз­ме­ром струк­тур­ных эле­мен­тов, но и их вза­им­ным рас­по­ло­же­ни­ем в про­стран­ст­ве.

Классификация наноструктур

Н. клас­си­фи­ци­ру­ют по их раз­мер­но­сти, мор­фо­ло­гии (т. е. по гео­мет­рич. фор­ме), вза­им­но­му про­стран­ст­вен­но­му по­ло­же­нию струк­тур­ных эле­мен­тов, из ко­то­рых они со­сто­ят, и др. По раз­мер­но­сти Н. под­раз­де­ля­ют на нуль­мер­ные (0D) кла­сте­ры и на­но­ча­сти­цы (на­нок­ри­стал­лы), од­но­мер­ные (1D) во­ло­кон­ные, дву­мер­ные (2D) плё­ноч­ные или мно­го­слой­ные, а так­же трёх­мер­ные (3D) по­ли­кри­стал­лич. Н., эле­мен­ты ко­то­рых во всех трёх на­прав­ле­ни­ях име­ют срав­ни­мые раз­ме­ры на­но­мет­ро­во­го мас­шта­ба.

По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию Н. де­лят­ся на твер­до­тель­ные, аморф­ные (soft Н.) и кол­ло­ид­ные; по фа­зо­во­му со­ста­ву – на од­но- и мно­го­фаз­ные; по хи­мич. со­ста­ву – на не­ор­га­ни­че­ские и ор­га­ни­че­ские, вклю­чая по­ли­мер­ные; по про­ис­хо­ж­де­нию – на ис­кус­ст­вен­ные (син­те­тич.) и при­род­ные, вклю­чая био­ло­ги­че­ские.

Рис. 1. Наноструктуры разной морфологии: а – наноструктура порошка карбида ванадия; б – квантовая гетероструктура GaAlAs с вертикальными поверхностями из смешанного оксида галлия и алюмини...

Мор­фо­ло­гия Н. за­ви­сит от их со­ста­ва, кри­стал­лич. струк­ту­ры и спо­со­ба по­лу­че­ния. Су­ще­ст­вую­щие ме­то­ды син­те­за по­зво­ля­ют по­лу­чать Н. с эле­мен­та­ми сфе­рич., стерж­не­вой, труб­ча­той, иголь­ча­той и др. форм. Так, напр., Н. по­рош­ка кар­би­да ва­на­дия яв­ля­ют­ся со­вокупно­стью по­ли­кри­стал­лов в фор­ме ис­крив­лён­ных ле­пе­ст­ков – дис­ков диа­мет­ром 400–500 нм и тол­щи­ной 15–20 нм (рис. 1, а); в кван­то­вой ге­те­ро­ст­рук­ту­ре $\ce {GaAlAs}$ сме­шан­ный ок­сид гал­лия и алю­ми­ния пред­став­ля­ет со­бой вер­ти­каль­ные по­верх­но­сти выс. 15–16 нм (рис. 1, б); на­но­ви­ске­ры ок­си­да ва­на­дия $\ce {V_3O_7}$ име­ют диа­метр 70–80 нм (рис. 1, в); нит­рид­ное плё­ноч­ное по­кры­тие об­ра­зо­ва­но на­но­стерж­ня­ми $\ce {TiN–ZrN}$ диа­мет­ром ок. 100 нм (рис. 1, г); аэ­ро­гель из ок­си­да алю­ми­ния со­сто­ит из во­ло­кон диа­мет­ром 5–20 нм с рас­стоя­ни­ем ме­ж­ду во­лок­на­ми от 10 до 400 нм (рис. 1, д); мед­ная щёт­ка об­ра­зо­ва­на на­но­про­во­локами диа­мет­ром 100–200 нм на мед­ной под­лож­ке (рис. 1, е).

Рис. 2. Наноструктура в виде сетки из двойных спиралей ДНК: а – первичный элемент наноструктуры, состоящий из четырёх ветвей; б – двумерная ДНК-наносетка, образующаяся в результате самосбо...

Мор­фо­ло­гия Н., по­стро­ен­ных на ос­но­ве ор­га­нич. мо­ле­кул, прак­ти­че­ски без­гра­нич­на. Так, ис­поль­зуя в ка­че­ст­ве эле­мен­тов са­мо­со­би­раю­щие­ся двой­ные спи­ра­ли ДНК, мож­но соз­да­вать трёх­мер­ные Н. (рис. 2).

Рис. 3. Типы полупроводниковых наноструктур: а – квантовая точка селенида кадмия CdSe; б – квантовые проволоки из окисленных медных волокон толщиной 2–4 нм на поверхности молибдена; ...

По­лу­про­вод­ни­ко­вые нуль­мер­ные, од­но­мер­ные и дву­мер­ные Н. на­зы­ва­ют кван­то­вы­ми точ­ка­ми, кван­то­вы­ми про­во­ло­ка­ми и кван­то­вы­ми яма­ми (стен­ка­ми) со­от­вет­ст­вен­но (рис. 3). Оп­ре­де­ле­ние «кван­то­вые» оз­на­ча­ет, что в этих Н. вслед­ст­вие эф­фек­тов раз­мер­но­го кван­то­ва­ния (см. Раз­мер­ные эф­фек­ты) элек­трон­ный энер­ге­тич. спектр рас­ще­п­ля­ет­ся и ме­ня­ет­ся от не­пре­рыв­но­го к дис­крет­но­му, по­зво­ляя управ­лять фун­дам. па­ра­мет­ра­ми по­лу­про­вод­ни­ков (ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны, эф­фек­тив­ной мас­сой и под­виж­но­стью но­си­те­лей за­ря­да). Пре­дель­ный слу­чай раз­мер­но­го кван­то­ва­ния дос­ти­га­ет­ся в кван­то­вой точ­ке – час­ти­це ве­ще­ст­ва (ма­те­риа­ла) с раз­ме­ром, близ­ким к дли­не вол­ны элек­тро­на в этом ма­те­риа­ле (обыч­но 1–10 нм), внут­ри ко­то­рой по­тен­ци­аль­ная энер­гия элек­тро­на ни­же, чем за её пре­де­ла­ми, бла­го­да­ря че­му дви­же­ние элек­тро­на ог­ра­ни­че­но во всех трёх из­ме­ре­ни­ях.

В со­став по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­на­но­ст­рук­тур (см. Ге­те­ро­ст­рук­ту­ра) вхо­дят хи­мич. эле­мен­ты II–VI групп ($\ce{Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te}$), со­еди­не­ния $\ce{A^{III}B^{V}}$ и их твёр­дые рас­тво­ры, а так­же со­еди­не­ния $\ce{A^{II}B^{VI}}$. Из со­еди­не­ний $\ce{A^{III}B^{V}}$ наи­бо­лее час­то ис­поль­зу­ют­ся $\ce{GaAs}$ и $\ce{GaN}$, из твёр­дых рас­тво­ров – $\ce{Al_{x}Ga_{1–x}As}$. Ис­поль­зо­ва­ние твёр­дых рас­тво­ров по­зво­ля­ет соз­да­вать ге­те­ро­на­но­ст­рук­ту­ры с не­пре­рыв­ным из­ме­не­ни­ем со­ста­ва и, со­от­вет­ст­вен­но, с не­пре­рыв­ным из­ме­не­ни­ем ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны.

Рис. 4. Спонтанно упорядоченные наноструктуры с периодом D: a – структуры с периодической модуляцией состава твёрдого раствора A1-xBxC от x1 до x2; б – периодически фасетированные поверхно...

Сре­ди твер­до­тель­ных (осо­бен­но по­лу­про­вод­ни­ко­вых) Н. наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ют спон­тан­но упо­ря­до­чен­ные Н., ко­то­рые са­мо­про­из­воль­но воз­ни­ка­ют на по­верх­но­сти твёр­дых тел и в эпи­так­си­аль­ных плён­ках. Они де­лят­ся на 4 груп­пы: струк­ту­ры с пе­рио­дич. мо­ду­ля­ци­ей со­ста­ва в эпи­так­си­аль­ных плён­ках твёр­дых рас­тво­ров (рис. 4, а); пе­рио­ди­че­ски фа­се­ти­ро­ван­ные по­верх­но­сти (рис. 4, б); пе­рио­дич. струк­ту­ры пло­ских до­ме­нов, напр. ост­ров­ков мо­но­слой­ной вы­со­ты (рис. 4, в); упо­ря­до­чен­ные мас­си­вы трёх­мер­ных ко­ге­рент­но на­пря­жён­ных ост­ров­ков в ге­те­ро­эпи­так­си­аль­ных сис­те­мах (рис. 4, г).

Рис. 5. Углеродные наноструктуры: а – кристаллический фуллерен C60 (фуллерит); б – молекула фуллерена C60 диаметром 0,75 нм; в – многослойные углеродные нанотрубки с наибольшим диаме...

Осо­бое ме­сто сре­ди твер­до­тель­ных Н. при­над­ле­жит уг­ле­род­ным Н. – гра­фе­ну, уг­ле­род­ным на­нот­руб­кам и фул­ле­ре­нам. Их строе­ние свя­за­но со слои­стой струк­ту­рой гра­фи­та, в пло­ских сет­ках ко­то­ро­го ато­мы уг­ле­ро­да объ­е­ди­не­ны проч­ны­ми ко­ва­лент­ны­ми свя­зя­ми в пра­виль­ные шес­ти­уголь­ни­ки, а со­сед­ние уг­ле­род­ные плос­ко­сти свя­за­ны сла­бы­ми ван-дер-ва­аль­со­вы­ми си­ла­ми (см. Меж­мо­ле­ку­ляр­ные взаи­мо­дей­ст­вия). Пер­вая экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­жен­ная в 1985 уг­ле­род­ная Н. – фул­ле­рен $\ce{C_{60}}$ – сфе­риче­ская ал­ло­троп­ная фор­ма уг­ле­ро­да; кри­стал­лич. фор­мой фул­ле­ре­нов яв­ля­ет­ся фул­ле­рит (рис. 5, а, б). Уг­ле­род­ная на­нот­руб­ка – по­лая ква­зи­од­но­мер­ная струк­ту­ра диа­мет­ром от 5 до 100 нм и дли­ной до не­сколь­ких мкм (рис. 5, в), об­ра­зо­ван­ная ато­ма­ми уг­ле­ро­да, об­на­ру­же­на и опи­са­на в 1991 япон. учё­ным С. Иид­жи­мой как по­боч­ный про­дукт син­те­за фул­ле­ре­на $\ce{C_{60}}$. Гра­фен (дву­мер­ная ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция уг­ле­ро­да) – слой ато­мов уг­ле­ро­да тол­щи­ной в один атом, со­еди­нён­ных по­сред­ст­вом $sp^2$-свя­зей в гек­са­го­наль­ную дву­мер­ную кри­стал­лич. ре­шёт­ку (рис. 5, г). Гра­фен мож­но пред­ста­вить как од­ну плос­кость гра­фи­та, от­де­лён­ную от кри­стал­ла, а уг­ле­род­ную на­нот­руб­ку – как свёр­ну­тую в ци­линдр гра­фе­но­вую плос­кость.

Су­ще­ст­ву­ют маг­нит­ные Н. – мно­го­слой­ные плён­ки из че­ре­дую­щих­ся тон­ких сло­ёв фер­ро­маг­нит­но­го и не­маг­нит­но­го ме­тал­лов или гра­ну­ли­ро­ван­ные плён­ки с ме­тал­лич. на­но­ча­сти­ца­ми в не­ме­тал­лич. изо­ли­рую­щей мат­ри­це. Напр., в маг­нит­ной Н. $\ce{Co–Ni–Cu/Cu}$ че­ре­ду­ют­ся фер­ро­маг­нит­ный слой $\ce{Co–Ni–Cu}$ и не­маг­нит­ный слой $\ce{Cu}$. Слои име­ют тол­щи­ну по­ряд­ка дли­ны сво­бод­но­го про­бе­га элек­тро­на (неск. на­но­мет­ров или де­сят­ков на­но­мет­ров). На­ли­чие до­пол­нит. сте­пе­ни сво­бо­ды (маг­нит­но­го мо­мен­та) обу­слов­ли­ва­ет раз­но­об­ра­зие свойств маг­нит­ных Н. и по­зво­ля­ет управ­лять их со­стоя­ни­ем с по­мо­щью внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля.

История исследования наноструктур

Ис­сле­до­ва­ния Н. на­ча­лись не­за­ви­си­мо в 1970–80-х гг. в ма­те­риа­ло­ве­де­нии и в фи­зи­ке тон­кос­лой­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур. Впер­вые кон­цеп­цию Н. твёр­до­го те­ла в 1982–84 пред­ло­жил, а за­тем сфор­му­ли­ро­вал нем. ма­те­риа­ло­вед Г. Гляй­тер.

Кван­то­вые точ­ки в ви­де мик­ро­кри­стал­лов $\ce{CuCl}$, дис­пер­ги­ро­ван­ных в си­ли­кат­ном стек­ле, от­кры­ты в 1982 рос. учё­ны­ми А. И. Еки­мо­вым и А. А. Ону­щен­ко; объ­яс­не­ние на­блю­дае­мых в них эф­фек­тов раз­мер­но­го кван­то­ва­ния да­но рос. учё­ны­ми Ал. Л. и А. Л. Эф­ро­са­ми. Не­за­ви­си­мо кван­то­вые точ­ки в кол­ло­ид­ных рас­тво­рах суль­фи­да свин­ца об­на­ру­жил амер. хи­мик Л. Ю. Брюс в 1984–85. Тер­мин «quantum dot» («кван­то­вая точ­ка») впер­вые пред­ло­жил амер. фи­зик М. Рид с со­ав­то­ра­ми в 1988.

С 1992 разл. ме­то­да­ми по­лу­ча­ют не­уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки на ос­но­ве суль­фи­дов, ок­си­дов, нит­ри­дов и др. не­ор­га­нич. со­еди­не­ний. В 1996 Х. Кро­то, Р. Кёрлу и Р. Смол­ли за от­кры­тие фул­ле­ре­нов при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. по хи­мии; в 2010 за пе­ре­до­вые опы­ты с гра­фе­ном А. К. Гей­му и К. С. Но­во­сё­ло­ву при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. по фи­зи­ке.

Ма­лые атом­ные аг­ре­га­ции (кла­сте­ры, изо­ли­ро­ван­ные на­но­ча­сти­цы) – про­ме­жу­точ­ное зве­но ме­ж­ду изо­ли­ро­ван­ны­ми ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми, с од­ной сто­ро­ны, и мас­сив­ным (объ­ём­ным) твёр­дым те­лом – с дру­гой. Пе­ре­ход от свойств изо­ли­ро­ван­ных на­но­ча­стиц к свой­ст­вам объ­ём­ных (мас­сив­ных) кри­стал­лич. ве­ществ в те­че­ние мн. де­ся­ти­ле­тий ос­та­вал­ся не­изу­чен­ным, т. к. от­сут­ст­во­ва­ло про­ме­жу­точ­ное зве­но – ком­пакт­ное твёр­дое те­ло с зёр­на­ми (кри­стал­ли­та­ми) на­но­мет­ро­во­го раз­ме­ра. Лишь в 1980-х гг., ко­гда поя­ви­лись ме­то­ды по­лу­че­ния ком­пакт­ных Н., на­ча­лось ин­тен­сив­ное ис­сле­до­ва­ние этой про­бле­мы. Од­на­ко во­прос о том, как бы­ст­ро на­рас­та­ет и на ка­ком эта­пе объ­е­ди­не­ния ато­мов за­вер­ша­ет­ся фор­ми­ро­ва­ние то­го или ино­го свой­ст­ва мас­сив­но­го кри­стал­ла, до сих пор не ре­шён. Не впол­не яс­но, ка­ко­вы и как мо­гут быть раз­де­ле­ны вкла­ды по­верх­но­ст­ных (свя­зан­ных с гра­ни­ца­ми раз­де­ла) и объ­ём­ных (свя­зан­ных с раз­ме­ром час­тиц) эф­фек­тов в свой­ст­ва на­но­ст­рук­ту­ри­ров. ма­те­риа­лов.

Применение наноструктур

Наи­бо­лее ши­ро­ко Н. ис­поль­зу­ют­ся в элек­трон­ной тех­ни­ке и в ка­та­ли­зе на ма­лых час­ти­цах. При­ме­не­ние по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­на­но­ст­рук­тур обес­пе­чи­ва­ет ми­ниа­тю­ри­за­цию элек­трон­ных уст­ройств с вы­хо­дом на на­но­раз­мер­ные эле­мен­ты для соз­да­ния про­цес­со­ров но­во­го по­ко­ле­ния. Раз­мер су­ще­ст­вую­щих тран­зи­сто­ров дос­тиг пре­дель­ной ми­ним. ве­ли­чи­ны, дос­туп­ной для совр. тех­ни­ки, и даль­ней­шее умень­ше­ние мо­жет быть дос­тиг­ну­то толь­ко при ис­поль­зо­ва­нии Н. и на­но­тех­ноло­гий. Кван­то­вые ямы и точ­ки ус­пеш­но при­ме­ня­ют­ся для соз­да­ния ла­зе­ров. Раз­ветв­лён­ные уг­ле­род­ные на­нот­руб­ки мо­гут ра­бо­тать в элек­тро­ни­ке как тран­зи­сто­ры и их эле­мен­ты. Гра­фен в пер­спек­ти­ве мо­жет за­ме­нить крем­ний в ин­те­граль­ных мик­ро­схе­мах; бла­го­да­ря вы­со­кой под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да он мо­жет ис­поль­зо­вать­ся в элек­тро­ни­ке как про­во­дя­щий ма­те­ри­ал, при­ме­нять­ся в про­из-ве сен­сор­ных эк­ра­нов и жид­кок­ри­стал­лич. дис­пле­ев. Маг­нит­ные Н. мо­гут ис­поль­зо­вать­ся как де­тек­то­ры маг­нит­но­го по­ля.