Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634620)
Контекстум
.

Физика малых частиц и наноструктурных материалов : учебное пособие (220,00 руб.)

0   0
Первый авторСтукова Елена Владимировна
АвторыБарышников Сергей Васильевич, Милинский Алексей Юрьевич
Издательство[Б.и.]
Страниц152
ID48198
АннотацияУчебное пособие предназначено для обучающихся в магистратуре на- правления 010600.68 – «Прикладные математика и физика» и аспирантов, обучающихся по специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного со стояния». Цель данного учебного пособия – сформировать у учащихся общее представление о различных аспектах физики наноструктур, включая причины возникновения размерных эффектов, методы создания и исследования наноструктурных материалов, а также перспективные направления их применения.
Кем рекомендованоРекомендовано УМС Амурского государственного университета
Кому рекомендованодля обучающихся в магистратуре направления 010600.68 – «Прикладные математика и физика» и аспирантов, обучающихся по специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного со стояния».
УДК539.2
ББК22.37я73
Стукова, Е.В. Физика малых частиц и наноструктурных материалов : учебное пособие / С.В. Барышников, А.Ю. Милинский; Е.В. Стукова .— : [Б.и.], 2010 .— 152 с. — URL: https://rucont.ru/efd/48198 (дата обращения: 20.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

Е.В. Стукова, С.В. Барышников, А.Ю. Милинский ФИЗИКА МАЛЫХ ЧАСТИЦ И НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие Благовещенск Издательство АмГУ 2010 ББК 22.37я73 С 88 Рекомендовано учебно-методическим советом университета Рецензенты: <...> С88 Физика малых частиц и наноструктурных материалов : учебное по- собие / Е.В. Стукова, С.В. Барышников, А.Ю. Милинский. <...> Первые работы по влиянию размера частиц на физические и химические свойства вещества появились еще в 30-е годы прошлого века, но интенсивное исследование структуры и свойств наноматериалов началось на рубеже ХХ – ХХI веков. <...> Приведены примеры нанопористых матриц с описанием их по4 ристой структуры. <...> В главе 3 рассмотрены методы исследования физических свойств наноматериалов, такие как электронная микроскопия, зондовая микроскопия, метод ядерного магнитного резонанса и т.д. <...> Соотношение атомов в объеме и на поверхности для наночастиц разного размера Таким образом, в отличие от макроскопических тел, в которых, как правило, пренебрегается влиянием поверхности, свойства наносистем будет определять совокупность объемных и поверхностных атомов. <...> Интересным объектом в физике наночастиц являются квантовые точки [14,15]. <...> В качестве примера квантовой точки может служить наночастица металла или полупроводника с электронами проводимости. <...> Электроны в квантовой точке ведут себя как в трехмерной потенциальной яме, в которой имеется множество стационарных уровней с расстоянием h 2 2md 2 , где d – размер квантовой точки. <...> Отличие энергетического спектра нанообъектов от объемных материалов, приводит и к изменению величины электронной теплоемкости. <...> Электронный вклад, определяемый соотношением Ce = γeT, где γe – коэффициент электронной теплоемкости, для массивных веществ является весьма существенным. <...> Энергетический спектр объемного кристалла (а) и наночастицы (б) Если δ <...>
Физика_малых_частиц_и_наноструктурных_материалов__учебное_пособие.pdf
Стр.1
Стр.2
Стр.3
Стр.4
Стр.5
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Стр.11
Стр.12
Физика_малых_частиц_и_наноструктурных_материалов__учебное_пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации Амурский государственный университет Е.В. Стукова, С.В. Барышников, А.Ю. Милинский ФИЗИКА МАЛЫХ ЧАСТИЦ И НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное пособие Благовещенск Издательство АмГУ 2010
Стр.1
ББК 22.37я73 С 88 Рекомендовано учебно-методическим советом университета Рецензенты: С.В. Ланкин.,зав. кафедрой общей физики БГПУ, д-р физ.-мат. наук, проф.; Криштоп В.В., зав. кафедрой физики ДВГУПС (г. Хабаровск), д-р физ.-мат. наук Стукова, Е.В., Барышников, С.В., Милинский, А.Ю. С88 Физика малых частиц и наноструктурных материалов : учебное пособие / Е.В. Стукова, С.В. Барышников, А.Ю. Милинский. – Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2010. – 152 с. Учебное пособие предназначено для обучающихся в магистратуре направления 010600.68 – «Прикладные математика и физика» и аспирантов, обучающихся по специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния». ББК 22.37 я73 © Стукова, Е.В., Барышников, С.В., Милинский, А.Ю.,2010 © Амурский государственный университет, 2010
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ Введение ...................................................................................................................... 4 Глава 1. Теоретические причины размерных эффектов в физике ................. 6 1.1. Влияние поверхности................................................................................... 6 1.2. Изменение фононного спектра.................................................................... 9 1.3. Изменение электронного спектра ............................................................. 11 Глава 2. Методы получения систем пониженной размерности.................... 15 2.1. Получение тонких пленок.......................................................................... 15 2.2. Методы получения нанопорошков ........................................................... 20 2.3. Получение нанотрубок и нанопроволок................................................... 24 2.4. Создание наноструктур внутри нанопористых матриц.......................... 26 2.5. Получение упорядоченного пористого анодного оксида алюминия.... 33 Глава 3. Методы исследования наноматериалов............................................. 38 3.1. Электронная микроскопия......................................................................... 38 3.2. Зондовая микроскопия ............................................................................... 41 3.3. Ядерный магнитный резонанс................................................................... 46 3.4. Диэлектрическая спектроскопия............................................................... 47 3.5. Другие методы исследования.................................................................... 49 Глава 4. Влияние размерных эффектов на физические свойства твердых тел............................................................................................................................... 52 4.1. Механические свойства наноматериалов................................................. 52 4.2. Изменение тепловых свойств малых частиц и наноструктурированных материалов.......................................................................................................... 58 4.3. Проводимость и сверхпроводимость в наноструктурах......................... 60 4.4. Особенности размерных эффектов в сегнетоэлектриках....................... 64 4.5. Магнитные свойства наночастиц.............................................................. 72 4.6. Оптические свойства нанострутур............................................................ 77 4.7. Переход от микроэлектроники к наноэлектронике................................. 84 Список использованной литературы.................................................................. 94 Список дополнительной литературы............................................................... 104 3
Стр.3
ВВЕДЕНИЕ Развитие нанотехнологий в настоящее время является приоритетным направлением для мировой науки и техники. Первые работы по влиянию размера частиц на физические и химические свойства вещества появились еще в 30-е годы прошлого века, но интенсивное исследование структуры и свойств наноматериалов началось на рубеже ХХ – ХХI веков. Наноструктурированные материалы являются объектом растущего интереса для фундаментальной и прикладной науки, поскольку с уменьшением характерных размеров их структурных единиц до наноуровня они приобретают новые свойства, обусловленные возрастающей ролью поверхностных атомов и квантово-размерными эффектами. Современный интерес к этой наиболее динамично развивающейся области физики связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения. Развитие отрасли нанотехнологий невозможно без широкой подготовки специалистов в данной области. Цель данного учебного пособия – сформировать у учащихся магистратуры направления 010600.68 – «Прикладные математика и физика» и аспирантов, обучающихся по специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния», общее представление о различных аспектах физики наноструктур, включая причины возникновения размерных эффектов, методы создания и исследования наноструктурных материалов, а также перспективные направления их применения. Учебное пособие состоит из введения, четырех глав и заключения. Глава 1 посвящена теоретическим аспектам размерных эффектов в физике твердого тела. В главе 2 описаны различные методы получения систем пониженной размерности. Приведены примеры нанопористых матриц с описанием их по4
Стр.4
ристой структуры. В главе 3 рассмотрены методы исследования физических свойств наноматериалов, такие как электронная микроскопия, зондовая микроскопия, метод ядерного магнитного резонанса и т.д. В главе 4 достаточно подробно рассмотрены свойства различного рода наноструктур на основе металлов, полупроводников, диэлектриков и т. д., их возможное применение в различных отраслях науки и техники. Для углубленного изучения отдельных вопросов в конце пособия приведена подробная библиография. 5
Стр.5
1. Теоретические причины размерных эффектов в физике Под размерными эффектами в физике понимают изменения свойств вещества при ограничении его размеров в одном, двух или трех измерениях. В настоящее время накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал по физике наноструктур и нанотехнологиям, которому посвящено большое количество монографий, обзоров и учебников. Рассмотрим коротко основные причины, приводящие к появлению размерных эффектов. 1.1. Влияние поверхности Прежде всего, стоит помнить, что атомы, принадлежащие поверхности тела находятся в других условиях, чем объемные, и, следовательно, имеют другие физические свойства. При уменьшении размеров тела происходит рост доли поверхностных атомов и соответственно вклада поверхности в его свойства. Так для массивного тела количество атомов, находящихся на поверхности, примерно на 7 – 8 порядков меньше числа атомов в объеме и их влиянием можно пренебречь. Уменьшение размера приводит к тому, что для частицы при размере порядка нанометров, количество поверхностных атомов может быть сравнимо с количеством атомов в объеме, что проиллюстрировано на рис. 1.1.1. Доля границ раздела в общем объеме сферической частицы диаметром d и толщиной границы раздела δ, равна: ( ∆ =  V V   6 π d − 3 6 π d − 2δ)  3      6 π d 3  −1  ≈  6δ d . (1.1.1) При значении δ от 0,5 до 1,5 нм и среднем размере частицы 10 – 20 нм на поверхностный слой приходится до 50 % вещества. 6
Стр.6
80 60 40 20 0 атомы в объеме атомы на поверхности 0 5 10 15 20 25 30 r (нм) Рис. 1.1.1. Соотношение атомов в объеме и на поверхности для наночастиц разного размера Таким образом, в отличие от макроскопических тел, в которых, как правило, пренебрегается влиянием поверхности, свойства наносистем будет определять совокупность объемных и поверхностных атомов. В этой связи все термодинамические потенциалы должны содержать члены, отвечающие объемному и поверхностному вкладу. В частности свободная энергия запишется в виде F = FV + FS, ds (1.1.2) где FV = − ∫ pdV и FS = ∫σ( )n – объемный и поверхностный вклады, σ(n) – поверхностное натяжение, зависящее от направления единичного вектора n, нормального к поверхности. Зависимость свободной энергии от линейных размеров тела и приводит к появлению различных размерных эффектов: изменению теплоемкости, температуры плавления, температуры структурных фазовых переходов и т.д. Учет вклада поверхностной энергии FS, может привести к тому, что для наночастиц будут реализовываться фазы, которые не наблюдаются для массивного вещества. Пусть для массивного вещества будет устойчива фаза 1. На языке термодинамики это может быть записано как: 7 % атомов в объеме и на поверхности
Стр.7
F F< . 1 V 2 V ся, что при тех же условиях для наночастицы будет устойчива фаза 2: 1 F F F F+≤+ 2 V 2 S 1 V S , (1.1.3) Уменьшение размеров приводит к необходимости учета Fs и может оказать(1.1.4) Это может привести к структурному фазовому переходу. Учет поверхностной энергии приводит к отличию теплоемкости наночастиц от теплоемкости массивного тела, поскольку в данном случае: V CV =   ∂E   ∂E  +  ∂T   ∂T    S  . (1.1.5) Однако эта формула неокончательная, так как при уменьшении размеров будет меняться и фононный спектр, что приведет к изменению теплоемкости при низких температурах. Зависимость температуры плавления Tm(r) наночастиц от их радиуса часто описывается формулой Томсона ( ) T r T m m T − = − m 2σ 1 r L , (1.1.6) где Tm и L – температура и теплота плавления массивного тела, ν1 – объем 1 г вещества. Анализ экспериментальных данных позволяет заключить, что хотя формула (1.1.6) качественно описывает снижение температуры плавления наночастиц, имеются количественные расхождения с экспериментом. Несовершенство формулы Томсона связанно с тем, что при ее выводе используется предположение о постоянстве объема частицы в процессе плавления. Позже были получены более точные формулы для Tm(r), которые дают хорошее согласие с экспериментом, в частности [1,2] ( ) Tm r T= m 1−    πρ Lr 2 s [ σ σ ρ ρ ) s − l ( s l 2 3 ]   , (1.1.7) где ρs и ρl – плотности твердой и жидкой частиц. Под температурой плавления в данном выражении понимается температура, при которой твердая и жидкая сферические частицы находятся в равновесии со своим паром. Все 8 ν
Стр.8
выражения, полученные для Tm(r) в различных работах могут быть записаны в виде Tm r Tm ( )= 1 α− ( r), (1.1.8) где α – постоянная, зависящая главным образом от типа вещества. Универсальное свойство наносистем – сосуществование твердой и жидкой фаз вблизи фазового перехода. Впервые это явление было обнаружено для системы из 13 и 55 связанных атомов – кластеров [3-7]. Область сосуществования в термодинамическом равновесии твердой и жидкой фаз находится ниже температуры, при которой теряет стабильность жидкая фаза, и выше температуры, при которой теряет стабильность твердая фаза [4]. 1.2. Изменение фононного спектра Изменение колебательного спектра кристаллической решетки при уменьшении частицы до наноразмеров является еще одной причиной возникновения размерных эффектов в твердом теле. При сокращении размеров кристалла в одном, в двух или в трех измерениях из-за отсутствия трансляционной симметрии при анализе динамики решеточных колебаний уже нельзя использовать циклические условия Борна-Кармана. Последние должны быть заменены граничными условиями на поверхности [8]. В результате, прежде всего не реализуются длинные волны с λ/2 > d, где d – меньший размер. При этом из спектра решеточных колебаний выпадают некоторые частоты (рис. 1.1.2) [9]. Последнее приводит также к изменению формулы Дебая для объемной теплоемкости. Если для макрочастицы пределами интегрирования являются 0 и ωmax = ωD СV = ∂ ∂T  3π u     V 2 2 ωD ∫ 0 e hω hω kT −1 ω ω , 2 d      (1.2.1) то для наночастицы пределы интегрирования меняются от некоторого ωmin до ωmax = ωD: 9
Стр.9
C T  3π u ωmin 2 2 v = ∂ ∂     V ∫ ωD e hω hω kT −1 ω ω . 2 d      (1.2.2) L0 T0 ω 0 π/d A q Рис. 1.1.2. Выпадение некоторых решеточных колебаний в частицах малых размеров (q – волновой вектор) Еще одно следствие ограничения размеров кристалла заключается в появлении новых частот, связанных с поверхностными волнами. Эти колебания быстро затухают по направлению нормали к поверхности, в одномерном случае они имеют локальный характер. Отличием энергетического спектра подобных «поверхностных фононов» заключается в следующем: одна из его ветвей в предельном случае длинных волн переходит в известные поверхностные релеевские волны, другие колебания образуют особые поверхностные оптические ветви [10,11]. Изменение колебательного спектра при наноограничении приводит к размерной зависимости температуры Дебая θD(r). С учетом поверхностного натяжения σ было получено [12] 10 π/a
Стр.10
kn k = θ ( ) ≈ +1 2 σγK r −) (3π 8r ])k D r θD [( , (1.2.3) где θD – дебаевская температура массивного тела, γ – постоянная Грюнайзена, K – изотермическая сжимаемость. 1.3. Изменение электронного спектра Различие физических условий для атомов, находящихся в объеме и на поверхности, приводит и к различию энергетических спектров электронов, находящихся на поверхности и в объёме кристалла. Всего через несколько лет после создания теории энергетических зон для бесконечной решётки И.Е. Тамм показал принципиальную возможность существования поверхностных электронных состояний [13]. В 1932 г., рассматривая простейшую одномерную модель полубесконечного кристалла как последовательность дельтаобразных потенциальных барьеров, ограниченную потенциальной «стенкой», И.Е. Тамм пришёл к фундаментальному выводу о возможности существования состояний, волновые функции которых локализованы на поверхности кристалла. В трёхмерном случае каждому атому поверхности должно соответствовать одно состояние. Таким образом, концентрация таммовских поверхностных состояний на идеальной поверхности должна быть равна поверхностной концентрации атомов в кристалле, то есть по величине порядка 1015 см-2. При малых размерах частиц вклад в проводимость поверхностных электронов может быть соизмерим с вкладом объемных электронов, что приведет к изменению электрических свойств вещества. Интересным объектом в физике наночастиц являются квантовые точки [14,15]. В качестве примера квантовой точки может служить наночастица металла или полупроводника с электронами проводимости. Электроны в квантовой точке ведут себя как в трехмерной потенциальной яме, в которой имеется множество стационарных уровней с расстоянием h 2md , где d – размер 2 2 квантовой точки. Переход с одного уровня на другой может сопровождаться поглощением или испусканием фотона, что приводит к люминесценции. 11
Стр.11
Варьируя размеры квантовой точки можно менять частоту излучения. Это направление рассматривается как перспективное для создания перестраиваемых источников света. Отличие энергетического спектра нанообъектов от объемных материалов, приводит и к изменению величины электронной теплоемкости. Как известно, для металла и полупроводника теплоёмкость складывается из теплоёмкостей кристаллической решётки и электронов проводимости. Электронный вклад, определяемый соотношением Ce = γeT, где γe – коэффициент электронной теплоемкости, для массивных веществ является весьма существенным. Оценка электронного вклада в теплоемкость наночастиц весьма затрудняется дискретностью энергетических уровней электронов (рис. 1.3.1б). Подобная дискретность обусловлена ограниченностью числа атомов в частице. Среднее расстояние δ между энергетическими уровнями по порядку величины равно EF /N, где EF – энергия Ферми, а N – число электронов проводимости. EF kT EF kT а) б) Рис. 1.3.1. Энергетический спектр объемного кристалла (а) и наночастицы (б) Если δ > kT (очень малые частицы, низкие температуры), электронная теплоёмкость может сильно отличаться от значений для массивных тел. Например, в ранних работах по электронной теплоёмкости малых частиц были получены оценки ~ 0,2 (Фрёлих, 1937), ~ 0,7 (Кубо, 1962) от значения элек12
Стр.12