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. <...> К углеродным наноструктурам относятся фуллерены и построенные на их основе нанотрубки, углеситаллы
и т.п. объекты. <...> Учитывая, что физическую основу современных нанотехнологий составляют знания о свойствах наноматериалов и специфике их получения, методах исследования (наблюдения) наноразмерных образований и манипулирования отдельными элементами (атомами, молекулами, кластерами), то основное содержание учебно-методических материалов как раз и посвящено рассмотрению данных
вопросов. <...> Чем больше доля
атомов, находящихся на поверхности, тем сильнее эффекты, связанные с поверхностью. <...> Нижняя граница диапазона для
таких материалов будет обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала, как структурного элемента, имеющего упорядоченное строение, то есть кристаллическую решетку. <...> С точки зрения физики рассматриваемых явлений, существенно важным,
является и учет проявления характерных размеров в изменении свойств тел при
переходе к наноразмерным образованиям, например, для прочностных свойств
это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов и т.д. <...> Нанообъекты
квази-нуль-мерные (0D) – это наночастицы (кластеры, коллоиды, нанокристаллы и
фуллерены) содержащие от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов,
сгруппированных в связки или ансамбли в форме клетки. <...> Нанообъекты квази-одномерные (1D): углеродные нанотрубки и нановолокна, наностержни, нанопроволоки т.е. цилиндрические объекты
с одним измерением в несколько микрон, и двумя нанометровыми. <...> Известно, например, что
наночастицы <...>
Физические_основы_нанотехнологий.pdf
УДК 53
ББК 22.3
Ф 50
Печатается по решению редакционно-издательского совета
ГОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический
университет»
Рецензент: М.С. Красин, кандидат педагогических наук, доцент кафедры общей
физики ГОУ ВПО «Калужский государственный педагогический
университет им. К.Э. Циолковского»
Составитель: А.А. Пронин, кандидат педагогических наук, доцент кафедры
физики и методики обучения ГОУ ВПО «ШГПУ»
Ф 50
Физические основы нанотехнологий: учебно-методические материалы
/ сост. А.А. Пронин; Федеральное агентство по образованию,
ГОУ ВПО «ШГПУ». – Шуя: Издательство ГОУ ВПО
«ШГПУ», 2009. – 112 с.
Учебно-методические материалы предназначены для студентов педагогических
вузов физических специальностей знакомящихся с научными основами
нанотехнологий.
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.
© ГОУ ВПО «ШГПУ», 2009
© Пронин А.А., 2009
2
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………… 3
ГЛАВА 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ............................................. 5
§1.1.
Классификация наноматериалов………………………….. 5
Вопросы для самопроверки…………………………………… 8
§1.2. Основные группы наноматериалов и их характеристики………………………………………………………………...
8
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.
§1.3.
Нанодисперсии………………………………………………… 8
Нанопористые структуры……………………………………... 9
Наноструктурированные поверхности……………………….. 10
Наночастицы и нанокластеры………………………………… 12
Нанокристаллические материалы…………………………….. 15
1.2.6. Дендримеры………………………………………..................... 16
Вопросы для самопроверки…………………………………… 17
Углеродные наноматериалы………………………………... 18
1.3.1. Фуллерены……………………………………………………… 18
1.3.2.
1.3.3.
Углеродные нанотрубки…………………………..................... 21
Углеситаллы……………………………………………………. 24
Вопросы для самопроверки…………………………………… 25
§1.4. Физические свойства наноматериалов………..................... 25
1.4.1.
Основные физические причины, влияющие на свойства
наноматериалов…………………………………………………...
25
1.4.2.
Механические свойства наноматериалов………...................... 29
1.4.3.
1.4.4.
1.4.5.
Тепловые свойства наноматериалов……………...................... 32
Электрические свойства наноматериалов……………………. 34
Оптические свойства наноматериалов……………………….. 37
Вопросы для самопроверки…………………………………… 39
ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННОЙ
МИКРОСКОПИИ………………….......................................... 41
§2.1. Основы электронной оптики……………………………….. 41
2.1.1.
Электростатические линзы……………………………………. 43
2.1.2. Магнитные линзы……………………………………………… 49
2.1.3.
Принцип управления потоком электронов при помощи
электростатических и магнитных линз………………………. 53
Вопросы для самопроверки…………………………………… 54
§2.2. Просвечивающий электронный микроскоп……………… 54
2.2.1.
Устройство и принцип работы просвечивающего электронного
микроскопа……………………………………………….. 55
2.2.2.
§2.3.
Режимы работы просвечивающего электронного микроскопа………………………………………………………………...
58
Вопросы для самопроверки…………………………………… 63
Растровый электронный микроскоп………………………. 63
111
Стр.111
2.3.1.
2.3.2.
Физические основы электронно-оптических методов исследования
наноразмеренных объектов в растровых сканирующих
микроскопах…………………………………………..
63
Устройство и принцип работы растрового электронного
микроскопа……………………………………………………... 67
§2.4. Ионный микроскоп…………………………………………... 72
§2.5. Недостатки электронной микроскопии…………………… 73
Вопросы для самопроверки…………………………………… 77
ГЛАВА 3. ЗОНДОВАЯ И АТОМНО-СИЛОВАЯ
МИКРОСКОПИЯ…………………..........................................
..........
78
§3.1.
3.1.2.
3.1.3.
Устройство и принципы работы сканирующих зондовых
микроскопов……………………....................................... 78
3.1.1. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов……………………………………………………………….
78
Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа………………………………………………………………...
83
Режимы работы СТМ………………………………………….. 90
Вопросы для самопроверки…………………………………… 92
§3.2. Атомно-силовая микроскопия...............................…………. 93
3.2.1
Принцип работы атомно-силового микроскопа……………... 93
3.2.2. Контактная атомно-силовая микроскопия…………………… 96
3.2.3. Колебательные методики АСМ…………………...................... 98
3.2.4.
3.2.5.
Наномодификация поверхности с помощью СЗМ…………... 100
Ближнепольная оптическая микроскопия……………………. 101
Вопросы для самопроверки…………………………………… 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные способы получения наноматериалов………………………………........................................
105
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Некоторые российские производители
наноматериалов………………………………………………... 106
Примерная тематика семинарских и практических занятий……………………………………………….
……………... 107
Примерная тематика рефератов………………………………. 108
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………... 109
112
Стр.112