Материаловедение

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.

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.

Изучение нелинейных явлений в многокомпонентных гетерогенных системах, находящихся в аморфном, нано- и микрокристаллическом состояниях, способствует установлению физической природы многих происходящих в них явлений и совершенствованию существующих теоретических положений, а следовательно, и разработке новых материалов, обладающих комплексом уникальных физических свойств. Для успешного решения этих задач большое значение имеет знание особенностей пространственного расположения атомов в аморфных, нано- и микрокристаллических твердых телах и многокомпонентных гетерогенных системах, основных механизмов электронного транспорта в гетерогенных системах металл—диэлектрик и механизмов формирования магнитной анизотропии в нанокомпозитах ферромагнетик—диэлектрик, магнитоэлектрических явлений в системах ферромагнетик—пьезоэлектрик, рассмотренных в этой книге.

Рассмотрены различные методы получения ультрадисперсных (нано-) материалов — механические, физические, химические, биологические. Обобщены современные представления об электрических, магнитных, тепловых, оптических, диффузионных, химических и механических свойствах наноматериалов. Подчеркнута и продемонстрирована зависимость этих свойств от структуры материала и геометрических размеров наночастиц. Значительное внимание уделено вопросам хранения и транспортировки наноматериалов.

Систематизированы и обобщены данные о влиянии термических, радиационных, деформационных и коррозионных воздействий на структуру и свойства консолидированных наноматериалов на основе металлов, сплавов и тугоплавких соединений. Описаны основные теоретические подходы к моделированию стабильности наноструктур в экстремальных условиях. Приводятся сведения об использовании наноматериалов и перспективах их применения в установках атомной и авиационно-космической техники, общего и химического машиностроения, системах энергетики, устройствах электроники, а также в медицине и биологии.

Дан анализ методов получения нанокомпозитов на основе каучуков и полиолефинов со слоистыми силикатами. Изучена структура, физико-механические, вулканизационные, реологические, электрические и другие свойства полученных нанокомпозитов.

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.

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.

В пособии рассматриваются механизмы деформации, разрушения и изнашивания поверхностных слоев конструкционных материалов в различных условиях нагружения. Показана высокая эффективность их наноструктурирования и нанесения наноструктурных покрытий, что кратно повышает такие важные характеристики, как износостойкость, усталостная долговечность, коррозионная стойкость, ресурс работы и надежность высокоответственных конструкций и их сварных соединений. Описаны современные технологии наноструктурирования поверхностных слоев и нанесения наноструктурных покрытий.

В книге приведены результаты исследований возможности получения субмикронных и наноструктурированных металлических материалов с использованием жидкофазных технологий, а также с использованием методов термомеханической обработки. Приведены результаты исследований физических свойств некоторых нанопорошковых материалов, особенностей их компактирования и спекания. Рассмотрены проблемы и технологические решения при реализации процесса равноканального углового (РКУ) прессования, условия получения субмелкозернистых и наноструктурных материалов на основе алюминия.

В книге рассмотрены технологические особенности получения нанопорошков с использованием различных нанотехнологий, в частности, газофазный синтез наноразмерных частиц для получения однокомпонентных нанопорошков, легированных металлических нанопорошков, карбидных и оксидных наночастиц, применение метода термического разложения солей для получения нанопорошков на основе дисперсно-упрочненных сплавов Cu-Al2O3 и на основе вольфрама, а также получение наноразмерных порошков путем диспергирования. Рассмотрены проблемы и технологические решения при реализации процесса РКУ-прессования. С использованием методов математического моделирования исследовано влияние основных технологических параметров процесса (геометрии канала и условий контактного трения) на распределение деформаций в заготовке и однородность структуры металла. Рассмотрены технологи­ческие условия получения субмелкозернистых и наноструктурных материалов на основе алюминия.

В монографии излагается современное состояние науки о формировании, исследовании и свойствах наноструктурированных полупроводников халькогенидов свинца PbX (X = Те, Se, S). Рассмотрены размерные эффекты в изучаемых материалах, подробно обсуждены новые подходы создания низкоразмерных систем на основе электрохимических и плазменных процессов.

В учебном пособии обобщены результаты исследований природы структурных и фазовых превращений, протекающих в неупорядоченных электролитических сплавах. Приведены теоретические и технологические основы формирования нанокристаллической и аморфной структуры, обеспечивающей получение покрытий с улучшаемыми функциональными характеристиками для использования в сложных эксплуатационных и природно-климатических условиях.