Нанотехнологии (Наноматериалы - см. 620.22)

В сборнике статей представлены материалы IX Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для студентов и молодых ученых «Новые технологии и материалы легкой промышленности», где отражены новые направления работ.

Содержит материалы X Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых с элементами научной школы «Новые технологии и материалы легкой промышленности», в которых отражены новые направления работ.

В сборник вошли научные статьи, отражающие результаты исследований, представленных на научно-практической межрегиональной конференции «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника (физика, технология, диагностика и моделирование)», проходившей в Ярославском государственном университете им. П.Г. Демидова 22 - 23 сентября 2008 г. В сборник включены теоретические, экспериментальные и обзорные статьи, посвященные наиболее актуальным проблемам развития микро- и наноэлектроники, квантовым компьютерам и некоторым смежным вопросам. Конференция организована в соответствии с планом мероприятий государственного контракта № 02.552.11.7028 Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Рассмотрены основные направления развития современной электроники, использующей физические эффекты, имеющие место в наноструктурах. Проанализированы пути перехода от микро- к наноэлектронным приборам, приведены описания нанотехнологических процессов, элементов и приборов наноэлектроники и новых материалов, с которыми тесно связано развитие приоритетной области нанонауки и нанотехнологии.

В учебном пособии, подготовленном учеными Южного федерального университета, содержится краткая история развития нанотехнологий и 14 оригинальных проектных работ, иллюстрирующих важнейшие понятия нанотехнологии.

В книге описываются концепции, которые, по мнению автора, занимают центральное место в науке о материалах. Адриан Саттон, почетный профессор Имперского колледжа Лондона, показывает развитие научного подхода в материаловедении от классической термодинамики XVIII века к наноструктурам, метаматериалам и активной материи XXI века. На простых моделях объясняются причины стабильности материала, особенности фазовых переходов, влияние дефектов структуры и их виды. Просто и доходчиво раскрывается роль квантовой механики в науке о материалах. Читатель узнает о практических направлениях работы ученых по созданию материалов, которые не существуют в естественных условиях, метаматериалов, и о том, какую роль играет материаловедение применительно к живой материи. Для изучения ряда тем понадобится знание физики, химии и математики на школьном уровне.

Рассмотрена совокупность вопросов, связанных с созданием многоуровневых систем металлизации интегральных микросхем по технологическим маршрутам, обобщенно называемым Back-End-Of-Line (BEOL). Охарактеризованы проблемы и решения создания проводящих и металлических тонких пленок, пленок диэлектрических материалов, проблемы и решения по планаризации поверхности интегральных микросхем. Рассмотрены вопросы получения конформных тонкопленочных покрытий на усложняющихся рельефах интегральных микросхем.

В книге систематизированы нанообъекты, методы их получения и исследования, описаны магистральные направления развития науки о наноструктурах и важнейшие сферы применения нанопродуктов: электроника, аэрокосмическая техника, медицина и здравоохранение, оборона и национальная безопасность, потребительские товары. Обсуждаются морально-этические проблемы и социально-экономические последствия нанореволюции.

Монография всеобъемлюще отражает самые последние сведения в области изучения и применения нанотрубок за последние двадцать лет. Приведена информация о методах их получения, структуре, электронных, оптических, механических, магнитных и эмиссионных свойствах. Описаны во многом удивительные изобретения, полученные с помощью этих новых материалов: одноэлектронный, полевой и квантовый нанотранзисторы, химические сенсоры, источники оптического и рентгеновского излучения, логические элементы, ячейки памяти и даже радиоприемник на одной-единственной углеродной нанотрубке. Значительное внимание уделено расчетам электронного строения нанотрубок с помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн. Один из разделов книги посвящен новому направлению в науке — наноэлектромагнетизму.

Пособие «Плазменная нанотехнология. Часть 1» предназначено для студентов старших курсов и преподавателей негуманитарных факультетов РУДН, интересующихся тенденциями современной научно-технологической революции. Это пособие послужит необходимым ориентиром студентам-физикам шестых курсов, слушающих и сдающих экзамен по новому спецкурсу «Плазменная нанотехнология» в рамках магистерской программы «Прикладная физика и физическая информатика». Подготовлено на кафедре экспериментальной физики факультета физико-математических и естественных наук РУДН.

В книге в доступной форме излагаются вопросы, связанные с историческим развитием и современным применением нанотехнологии в различных областях — электронике, медицине, биотехнологии, точной механике и оптике, автомобильной индустрии, энергетике. Рассматриваются социоэкономические последствия и этические аспекты внедрения нанотехнологии в жизнь современного общества.

В этой книге затронуты вопросы взаимосвязи физико-химических явлений в окружающей среде с изменениями климата и экологической ситуации на Земле, что определяет междисциплинарность ее содержания. Показана важнейшая роль взаимодействий на межфазных границах минерал/вода в процессах формирования и выветривания горных пород, в миграции химических элементов и веществ. Многочисленные практические примеры реальных природных экосистем и регионов, а также предлагаемые задачи помогают лучше понять необходимость тщательного изучения физико-химического аспекта биогеохимических процессов на уровне наноразмерных структур, без чего невозможно создание глобальной сети экологического мониторинга.

Нанотехнология - это технология работы с молекулами. Прогнозируется, что ее развитие приведет к революционным успехам в медицине, электронике, информационных технологиях, энергетике и других областях человеческой деятельности. Данная монография является живым и образным введением в методы и задачи наноинженерии. В ней отражены сложности, возникающие при проектировании и конструировании вычислительных наноустройств. Детально рассмотрены этапы развития этого нового направления в науке. Основное внимание уделяется методу молекулярной динамики, который применяется для анализа нового класса задач, направленных на исследование свойств атомных кластеров (которые, в свою очередь, являются основой для наноустройств). Приводятся полные сведения из области смежных фундаментальных наук (биологии, физики, химии, информатики и техники), необходимые для понимания излагаемого в работе материала.

Предназначено для самостоятельной проработки студентами дисциплины «Физико-химические основы нанотехнологий». Приведено описание методов и средств поиска литературных источников, рассмотрены принципы и структура составления реферата и оформления презентации. Указаны основные требования к оформлению и представлению реферата, а также к защите и оценке работы на мини-конференциях.

В учебнике изложены общие представления о нанотехнологии, ее концептуальные проблемы. Затронуты вопросы самоорганизации и синергетики в наномире, проанализированы возможности нанометрологии. Рассмотрены специфические особенности и проблемы наномира.

Практикум по курсу «Нанобиотехнологии» разработан сотрудниками кафедры биофизики и биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Включает описание современных приборов (атомно-силовая микроскопия, конфокальная микроскопия, лазерная интерференционная микроскопия, спектроскопия КР и ЭПР) и методов моделирования, а также цикл лабораторных работ, посвященных применению наноструктур (квантовые точки, коллоидные частицы, липосомы) как для повышения эффективности биологического исследования, так и для обучения основам нанобезопасности.

В книге представлены базовые понятия теории переходной схемотехники, необходимые для разработки новой элементной базы суперкомпьютеров различных типов. Теорию переходной схемотехники отличает новая компонентная концепция синтеза наноструктур, в которой минимальным компонентом для синтеза схем является не транзистор, а материал и переход (связь) между материалами. Приводятся данные экспериментального 2D и 3D моделирования физических и электрических процессов в кремниевых переходных наноструктурах с минимальным топологическим размером 10–20 нм и сравнительный анализ четырех типов схемотехник.

В книге в легкой и непринужденной форме рассказывается о совсем непростых и серьезных вещах о рисках нанотехнологий. Серая слизь и боевые нанороботы вот всё, что знает рядовой потребитель об угрозах, связанных с нанотехнологиями. Но это лишь капля в море. Велик разрыв между миром «нано» и миром «макро», по этому понять характер угроз, исходящих от этого мира, очень сложно. Но именно от этого понимания зависит, насколько человек сможет овладеть нанотехнологиями, научиться безопасно обращаться с наноматериалами, контролировать распространение нанопродуктов, не допускать использования результатов научно технического прогресса во вред себе и окружающей среде.

Рассмотрен процесс фотолитографии. Изложено описание процедур проведения экспериментов по определению разрешающей способности операций фотолитографии и жидкостного травления тонкопленочных медных структур. Представлена методика обработки полученных результатов травления и выявления на их основе бокового подтрава токопроводящих структур и неравномерности тонкопленочного покрытия по площади заготовки.

Уникальность данного учебного пособия о получении, свойствах и применении неорганических наноматериалов состоит в том, что оно учитывает специфику и программу подготовки в России химиков-технологов, особенно специализирующихся на материалах для энергетики. Особое внимание уделено терминологии в области нанонауки и нанотехнологии. Приведены сведения о необычных, нетипичных веществах, материалах и способах их получения с целью помочь читателям выработать собственные идеи.

Пособие состоит из двух тематических разделов: первый включает тексты о технологии CMOS, второй — о нанотехнологиях. Отдельно предлагаются тексты для ознакомительного чтения и краткого изложения содержания прочитанного. Тексты представляют собой статьи (или извлечения из статей) англоязычных авторов. Пособие содержит также упражнения на понимание текста, отработку и закрепление лексико-грамматических конструкций, развитие навыков устной речи.

Представлены описания лабораторных работ для студентов 2–3-х курсов, обучающихся по специальностям «Нанотехнологии в электронике» и «Квантовая электроника». В ходе выполнения работ студенты ознакомятся с некоторыми методами получения наночастиц и нанокомпозитов, приобретут навыки работы с объектами нанометрового размера и овладеют современными физико-химическими методами исследования. Каждый цикл работ предваряется теоретическим введением, которое может играть роль краткого конспекта лекций.

В книге под редакцией известных ученых собраны статьи и обзоры видных специалистов в области нанотехнологий, посвященные растровой электронной микроскопии (РЭМ). С помощью РЭМ можно изучать свойства наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассмотрены различные типы РЭМ, включая просвечивающие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновский микроанализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов.

В методических указаниях даны базовые понятия, определения и представлены основные объекты нанотехнологий в целом и нанохимии в частности.

Нанохимия - быстро развивающаяся область науки, направленная на получение и изучение физико-химических свойств частиц вещества, имеющих размеры в несколько нанометров, и материалов на их основе. Подобные частицы обладают высокой реакционной способностью в широком интервале температур и размерной зависимостью свойств. Исследования в области нанохимии открывают перспективы для синтеза химических веществ и функциональных материалов с принципиально новыми и необычными свойствами. Настоящее пособие может рассматриваться как введение в область нанохимии и служить для студентов определенным указателем и справочным руководством в обширном мире наносистем, наноструктур и наноматериалов. Специальные разделы посвящены способам получения и свойствам наночастиц металлов и оксидов металлов, углерода, нанокомпозитам и искусственным метаматериалам. В пособии приведены четыре примера получения наноматериалов, которые могут быть использованы при постановке отдельных лабораторных работ.

Построены квазистационарные характеристики динамической модели микродвигателя вращения с электростатическим накатом упругих лент с учетом качества сопряжения контактирующих поверхностей (лента — пленка). На базе двухстепенной упруго-массовой модели микроактюатора выполнен сравнительный анализ проскальзывания ленты на начальном этапе воздействующего импульса напряжения при учете сил адгезии.

Настоящее издание соответствует учебной программе курса «Специальные технологические методы в нанотехнологии». Рассматриваются методы выращивания 2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур (нанонитей) и 0D-наноструктур (наночастиц) с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии для их применения в наноприборах радиоэлектронных систем.

Проанализированы вопросы обеспечения надежности радиоэлектронных средств нового поколения - на базе приборов, функционирующих на квантоворазмерных эффектах в наноразмерных слоях составляющих их полупроводниковых гетероструктур. В качестве примера рассмотрено обеспечение надежности смесителя радиосигналов СВЧ-диапазона на базе резонансно-туннельных диодов.

Рассмотрены основные технологические процессы производства элементов микросистемной техники с точки зрения физических явлений. Обобщены результаты, полученные при выращивании монокристаллов, а также в процессах диффузии, имплантации, литографии и др.

На сегодняшний день одним из интенсивно развивающихся направлений микроэлектронной отрасли являются микроэлектромеханические системы (МЭМС). Важным классом МЭМС-устройств являются приборы с электростатическим управлением: микроманипуляторы, резонаторы, переключатели, СВЧ-варакторы, виброгироскопы, преобразователи энергии и т. п. Параметры этих устройств часто ограничиваются эффектом схлопывания электродов (pull-in effect). В настоящее время ведутся интенсивные поиски путей построения МЭМС, обеспечивающих улучшение их параметров в условиях проявления эффекта схлопывания. Одним из таких путей является создание трехэлектродных систем. В данной работе разработана математическая модель, описывающая поведение трехэлектродной МЭМС в предположении, что при подаче управляющих напряжений на подвижный электрод действуют только электрические и упругие силы. Проведен анализ особенностей функционирования трехэлектродных МЭМС с учетом взаимного влияния электрических и упругих сил. Показано, что в трехэлектродных системах критическими состояниями может ограничиваться не только максимальное значение управляющего напряжения, но и минимальное. Получены аналитические выражения, позволяющие определить значения параметров системы, при которых она находится в критическом равновесном состоянии. Определены диапазоны контролируемых перемещений подвижного электрода и величины настройки емкости симметричной и несимметричной конструкций МЭМС при изменении одного и двух управляющих напряжений. Проведено сравнение параметров трехэлектродных систем с параметрами двухэлектродных.

Данное издание вводит читателя в удивительный мир нанотехнологий - многопрофильную и междисциплинарную область научных знаний и технологий, составляющую основную современную тенденцию в развитии науки и производства. Целью издания является ознакомление будущих учителей с сущностными элементами нанотехнологий и, с учетом биологической направленности обучаемых, со спецификой нанобио- и бионанотехнологий, основанных на использовании живых организмов (фагов, вирусов) и биомолекул, их составляющих (белков, липидов, нуклеиновых кислот и т.п.), в качестве объектов нанотехнологических разработок, а также с проявлениями, открытиями и внедрениями нанобиотехнологических процессов в разнообразные отрасли науки и производства, медицины, фармакологии, мониторинга, безопасности, социальной сферы и т.п.

Современные тренды мирового экономического развития связаны с активным внедрением нанотехнологий в хозяйственный процесс, что во многом обеспечивает конкурентоспособность бизнеса. Новый этап развития во многом связан с разработкой и практическим внедрением достижений науки в области нанотехнологий, а применение нанокомпонентов способно изменить свойства традиционной продукции, что позволяет сделать ее также более конкурентоспособной. Авторы делают акцент на обосновании роли международного бизнеса как фактора развития мирохозяйственных связей, выявлении особенностей нанотехнологий и нанопродуктов именно как объектов международного бизнеса, исследовании специфики современного этапа включенности российских компаний, в том числе ряда компаний Юга России, в международный бизнес в области нанотехнологий. На основе ранжирования проблем «вписывания» современных российских компаний в международный бизнес в области нанотехнологий, авторы предлагают варианты их поэтапного решения, при этом особое внимание уделяется деятельности в этой сфере южнороссийских компаний.

Рассмотрены основные понятия и определения, история развития нанотехнологий, их потенциал и перспективы развития. Представлена классификация наноматериалов, рассмотрены их структурные особенности, размерные эффекты и свойства нанообъектов. Приведены основные подходы и технологии получения наноматериалов, методы исследования наноразмерных структур, рассмотрены особенности диагностики и проблемы метрологии в области нанотехнологий.

Сенсорные системы на основе технологий МЭМС и НЭМС, способные работать при высоких температурах, в агрессивных средах и/или под воздействием сильной радиации, весьма перспективны для применений в жестких внешних условиях. Они позволяют снизить вес, повысить надежность и уменьшить стоимость изделий в ключевых сегментах рынка, таких как автомобилестроение, авионика, промысловая геофизика и ядерная энергетика. В статье дан обзор последних достижений в области МЭМС- и НЭМС-датчиков для жестких условий с акцентом на материалы и устройства. Особое внимание уделено работе датчиков при высоких температурах. Применительно к таким устройствам рассматриваются широкозонные полупроводниковые материалы для высокотемпературных применений. В качестве новой тенденции в области высокотемпературных применений рассмотрены микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС). Как пример МОЭМС-датчика для жестких условий представлен датчик вибраций

Содержит теоретические основы науки о нанотехнологии, наноинженерии, наноматериалах и комплекс заданий для аудиторной работы по практике перевода и изучению терминологии.

Освещаются методы и средства метрологического обеспечения нанотехнологий и аналитического контроля наноматериалов. Рассмотрены меры по обеспечению единства измерений в Российской Федерации, ведущие тенденции развития нанотехнологий за рубежом и в России, обосновано формирование инфраструктуры центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологии и продукции наноиндустрии. Описаны методы и средства метрологического обеспечения исследований нанотехнологий и оценки соответствия продукции наноиндустрии. Раскрыты прикладные вопросы метрологического обеспечения реализованных проектов в отдельных областях наноиндустрии в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». Для специалистов центров стандартизации и метрологии, метрологических служб предприятий, поверителей, сотрудников санитарно-эпидемиологической службы, проходящих переподготовку и приобретающих дополнительную квалификацию в Академии стандартизации,метрологии и сертификации Росстандарта. Будет полезна студентам вузов, получающим образование в области нанотехнологии и нанометрологии.

Микросистемная техника – активно развивающееся направление, создающее функционально законченные нано- и микроразмерные устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от характеристик устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям. Учебное пособие содержит сведения о физических принципах функционирования электромеханических систем и об основных технологиях их производства. Приведены примеры использования микроэлектромеханических систем в различной аппаратуре как бытового, так и специального назначения.

Представлены теоретические основы методов исследования наноматериалов – растровой электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии. Изложены рекомендации по выполнению заданий в ходе учебной, производственной и преддипломной практики.

Приведены методы анализа, выбора и расчета прецизионных механизмов микро- и наноперемещений с учетом их функционального назначения и заданных параметров движения исполнительных механизмов оборудования для микро- и нанотехнологий. Рассмотрены методы вибрационной защиты прецизионного оборудования, принципы разработки динамических моделей и алгоритм процесса управления прецизионными механизмами перемещений для обеспечения требуемых параметров. Определены основные параметры механизмов прецизионных перемещений.

Подробно рассмотрены фундаментальные физические эффекты и электронные процессы, характерные для наноразмерных структур. Описаны принципы функционирования и типы наноэлектронных приборов для обработки информации. Приведены нанотехнологические подходы, позволяющие формировать приборные структуры наноэлектроники и спинтроники. Наряду с обновленным и расширенным теоретическим материалом предыдущего издания в данное издание включены практические задачи и контрольные вопросы для самопроверки, призванные закрепить изучаемый теоретический материал.

Настоящее пособие входит в состав учебно-методического комплекса по курсу Электроника, разработанного для студентов НГТУ, обучающихся по направлению 210300 Радиотехника и ряда специальностей направления 210400 – Телекоммуникационные системы. Рассмотрены принципы работы основных видов полупроводниковых приборов и происходящие в них физические процессы. Приведено описание параметров и характеристик диодов, биполярных и полевых транзисторов в различных схемах включения. Пособие может быть использовано при мультимедийной форме чтения лекций, при выполнении расчетно-графических заданий и подготовке к лабораторным работам.

В работе представлен материал, раскрывающий физические основы нанотехнологий: рассмотрена классификации наноматериалов, физические свойства наиболее изученных наноматериалов, физические основы электронной микроскопии и принципы работы зондовых атомно-силовых микроскопов.

Достижения нанотехнологий основаны на принципиально новых научных знаниях о природе строения материалов, и, соответственно, принципиально новых технологиях и принципах конструирования. В данной работе собраны наиболее яркие (по мнению автора) публикации последних лет /1-20/ о наиболее значимых достижениях в области нанотехнологий и наноэлектроники и перспективах их развития. В ряде случаев публикации приведены практически без купюр, чтобы не исказить мнение авторов по наиболее важным их идеям и утверждениям. Автор взял на себя лишь труд отобрать из буквально «моря информации» материалы, соприкасающиеся с направлениями технических дисциплин ПГУТИ, скомпоновать и представить эти материалы в форме лекций для студентов телекоммуникационных специальностей. Цель данной работы – в популярной форме познакомить студентов ПГУТИ с новейшими достижениями науки и техники в рамках изучаемых ими дисциплин.

В учебном пособии излагаются физические и технологические основы наноэлектроники, в том числе принципы функционирования и характеристики наноэлектронных устройств на базе квантово-размерных структур: резонансно-туннельных, одноэлектронных и спинтронных приборов. Рассматриваются особенности квантовых компьютеров, электронных устройств на сверхпроводниках, а также приборов нанобиоэлектроники. Каждая глава снабжена контрольными вопросами и заданиями для самоподготовки.

Книга посвящена описанию основных физических принципов, структур и методов моделирования, а также тенденций развития современной и перспективной кремниевой наноэлектроники с технологическими нормами менее 100 нм. Может быть использована в учебном процессе при подготовке учебных курсов «Физические основы наноэлектроники», «Наноэлектронные технологии», «Физика микроэлектронных структур».

Рассмотрен спектр философских проблем (онтологических, методологических, гносеологических и социально-этических) наномира с выявлением его сущности с помощью различных подходов и категориального аппарата, выработанного в различных направлениях философии.

Приведены основные сведения об оптических свойствах полимеров, сравнительные характеристики органических стекол (и других полимерных материалов), способы их модификации, включая разработанные в Казанском государственном технологическом университете. Отражено развитие исследований в традиционных областях применения прозрачных полимеров, а также рассмотрены современные тенденции в области создания функциональных полимерных материалов, содержащих наноразмерные наполнители, обладающих нелинейно-оптическими и другими свойствами.

Толковый словарь содержит свыше 6000 терминов, наиболее употребительных в общей и медицинской генетике, иммунологии, вирусологии, микробиологии, эмбриогенетике, биохимии, биоинформатике, экологии, нанотехнологиях, молекулярно-генетической и клеточной биотехнологиях, а также биотехнологиях, широко используемых в промышленности и сельском хозяйстве. Термины даны с их английскими эквивалентами, этимологией слов и расширенным толкованием на русском языке.

В учебном пособии акцентируется прикладной и проективный характер современного философского знания, обусловленный формированием сложного нелинейного информационно-сетевого общества. Современная философия занимается не только концептуально-методологической разработкой проблем естественных, технических и социально-гуманитарных наук, но и проектированием и исследованием возможных миров социальной практики, что приобретает особое значение на современном этапе развития человеческой цивилизации. В пособии рассматриваются актуальные проблемы прикладной философии, а также новые методологические подходы, разрабатываемые с позиции целостного единства мира и природы человека в свете древнеегипетской эзотерической синтетической философии как основания мировой философии и в контексте новейших высоких технологий.

Методические указания состоят из трех уроков (модулей), начинающихся базовыми текстами А и развивающими тему более развернуто текстами В и С. Каждый текст снабжен терминологическим словарем, облегчающим работу студентов с неадаптированной научной литературой, что особенно важно на начальном этапе учебного процесса. Грамматические упражнения стимулируют повторение сложных иноязычных конструкций с новым лексическим наполнением. Задания на составление плана текста и распределение его ключевых фрагментов в более упорядоченной логической последовательности позволяют выработать у студента первичные навыки аннотирования и реферирования.