Нанотехнологии и наноматериалы (на 2020 год)

Сборник задач рассчитан на магистрантов первого года обучения направления 12.04.03 «Фотоника и оптоинформатика» и разработан в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 12.04.03 Фотоника и оптоинформатика (уровень магистратуры) от 30.11.2014.

В учебном пособии представлены физические свойства основных материалов, применяемых в оптике и нанооптике, их параметры и методы изготовления, применения, основные типы элементов интегральной оптики и нанооптики и основы работы функциональных элементов интегральной нанооптики, основные методы производства элементов интегральной оптики, интегрально-оптических устройств. Учебное пособие является введением в предмет и авторами не ставилась задача сколько нибудь полного охвата известного к настоящему времени материала, имеющейся литературы и авторства представленных материалов.

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.

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.

Книга представляет собой обзор исследований, посвященных вопросам применения наноструктурированных материалов в целях ранней диагностики опасных болезней, адресной доставки лекарств к пораженным тканям и органам, разработок принципиально новых методов терапии и хирургии, создания молекулярных инструментов и нанохирургии, протезирования, трансплантации и регенерации тканей и решения других биомедицинских задач. Авторский коллектив объединил ученых США, Великобритании, Индии и Кореи.

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.

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.

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.

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.

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.

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 учебном пособии представлены базовые определения и классификация нанотехнологий. Изложены физиологические основы нанотехнологии, приведены наиболее важные для энергетики виды наноматериалов, рассмотрены все свойства, принцыпы и методы моделирования нанообъектов. Проанализированы достижения и перспективы внедрения в энергетику технологий и производств с атомарной точностью. Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины Нанотехнологии в энергетике"" и предназначена для бакалавров, обучающихся по направлению "" Агроинженерия"" профилю "" электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйсве"". Предстовляет интерес для инжннеров и специалистов теплоэнергетиков и электроэнергетиков агропромышленного комплекса.Учебное пособие нанотехнологии в энергетике может быть рекомнтовано для заочноо и дистанционного обучения."""

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.

Содержит основные сведения по метрологическому обеспечению наноиндустрии. Рассмотрены становление нанометрологии в XX-XXI вв. и концепции ее развития. Подробно изложены современные основы технического обеспечения нанометрологии. Освещены вопросы нестабильности, точности и неопределенности наноизмерений. Особое внимание уделено основным метрологическим операциям - поверке и калибровке. Материал по сканирующей зондовой микроскопии изложен на основе семи современных стандартов, введенных в 2008-2009 гг. Описаны организационные принципы нанометрологии, системы Гостехрегулирования через сеть региональных отделений вновь созданного Центра метрологического обеспечения нанотехнологий и отраслевых научно-исследовательских институтов. Приведен перечень вузов, работающих в сфере наноиндустрии, и указаны основные направления их исследований в данной области.