Физико-химия наночастиц,
наноматериалов и наноструктур
Учебное пособие
Рекомендовано УМО вузов РФ по образованию в области радиотехники,
электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, укрупненной группы направления
подготовки бакалавров и магистров 210000 – «Электронная техника, радиотехника
и ñâÿçü» (íàïð. 211000.62, 211000.68).
Красноярск
СФУ
2011
Стр.1
УДК 621.38(07)
ББК 32.85я73
Ф48
Рецензенты:
С. Г. Овчинников, д-р физ.-мат. наук, проф. зам. директора ИФ СО РАН РФ;
Г. Г. Назаров, канд. техн. наук, проф. кафедры ЭТТ Сиб ГАУ
Ф48
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур [Электронный ресурс]
: учеб. пособие / авт. : А. А. Барыбин, В. А. Бахтина, В. И. Томилин, Н. П. Томилина
; разраб. : Центр обучающих систем ИнТК СФУ. – Версия 1.0. – Электрон.
дан. (9 Мб). – Красноярск : СФУ, 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD). – Систем. требования
: Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ;
512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод
CD ; операционная система Microsoft Windows XP / Vista / 7. – Adobe Reader 7.0 (или
аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). – № гос. регистрации
0321103315
ISBN 978-5-7638-2396-7
Основной задачей учебного пособия является ознакомление студентов с основными классами наночастиц и
наноматериалов, их физико-химическими свойствами, а также со сложившимися и перспективными областями
применения наноматериалов.
Предназначено для студентов укрупненной группы направления подготовки бакалавров и магистров
210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (направления 211000.62, 211000.68). Может быть полезно
студентам других специальностей, аспирантам и научным работникам, интересы которых связаны с получением,
исследованием и практическим применением новых материалов.
_______________________________
Учебное издание
Барыбин Анатолий Андреевич, Бахтина Валентина Анатольевна,
Томилин Виктор Иванович, Томилина Надежда Павловна
© Барыбин А. А., Бахтина В. А.,
Томилин В. И., Томилина Н. П., 2011
© Разработка и оформление электронного образовательного
ресурса: Центр обучающих
систем ИнТК СФУ, 2011
ISBN 978-5-7638-2396-7
© Сибирский федеральный университет, 2011
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного
продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными
товарными знаками тех или иных фирм.
Подписано к использованию 15.08.2011
Объем 9 Мб. Заказ № 4858
Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Стр.2
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................... 6
Глава 1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И
ПРИБОРОВ МАКРО-, МИКРО- И
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.................................................. 8
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ .................................................................................. 8
1.2. МАКРОЭЛЕКТРОНИКА (технологические особенности
изготовления приборов) ........................................................................................... 12
1.3. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (кремниевая технология процессоров на
пути от «микро» к «нано») ......................................................................................... 14
1.4. НАНОЭЛЕКТРОНИКА (новые материалы и технологии) ................... 19
1.4.1. Краткое описание современных нанотехнологий ....................... 19
Глава 2. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ............................................................. 28
2.1. Общая характеристика ............................................................................. 28
2.2. Классификация наноматериалов ........................................................... 29
2.3. Углеродные нанокластеры .................................................................... 34
2.4. Квантовые особенности нанообъектов пониженной размерности . 43
2.5. Структурно-геометрические особенности нанокластеров ................ 49
Глава 3. ПОВЕРХНОСТЬ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ
СТРУКТУРЫ ............................................................... 55
3.1. Обозначение и индексация поверхностных структур ........................ 55
3.2. Релаксация поверхности ........................................................................ 59
3.3. Реконструкция поверхности .................................................................. 60
3.4. Структурные дефекты реальных поверхностей ................................ 68
Глава 4. ТЕРМОДИНАМИКА
ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И МЕЖФАЗНЫХ
ГРАНИЦ ..................................................................... 76
4.1. Способы описания нанообъектов ......................................................... 76
4.2. Общая характеристика поверхности ..................................................... 77
4.3. Элементы термодинамики плоской поверхности .............................. 78
4.4. Термодинамика искривленных поверхностей .................................... 85
4.4.1. Капиллярное давление (формула Лапласа) ................................. 86
4.4.2. Давление насыщенного пара частиц малых размеров (формула
Гиббса – Томсона) .................................................................................................. 91
4.4.3. Температура плавления частиц малых размеров ....................... 96
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
3
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 5. АДСОРБЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА
ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ ........................... 104
5.1. Общая характеристика адсорбционных процессов ......................... 104
5.2. Физическая и химическая адсорбция ................................................. 106
5.3. Кинетика мономолекулярной адсорбции
и двухмерная конденсация ..................................................................................... 114
5.3.1. Модель адсорбции Ленгмюра ....................................................... 115
5.3.2. Уравнения изотермы Генри и изотермы Ленгмюра ................. 119
5.3.3. Уравнение кинетики недиссоциативной адсорбции ................. 120
5.3.4. Латеральное взаимодействие и двухмерная конденсация ..... 124
5.3.5. Латеральное взаимодействие при локализованной
монослойной адсорбции .................................................................................... 131
5.4. Полимолекулярная адсорбция ............................................................ 132
5.4.1. Модель адсорбции Брунауэра – Эммета – Теллера
(модель БЭТ) ......................................................................................................... 132
5.4.2. Модель полимолекулярной адсорбции Поляни ........................ 138
5.5. Капиллярная конденсация в мезопористых адсорбентах .............. 140
Глава 6. ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА
ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НОВОЙ ФАЗЫ . 147
6.1. Движущие силы процесса кристаллизации
и зародышеобразования ........................................................................................ 147
6.1.1. Объемное пересыщение в первичной фазе ............................... 147
6.1.2. Понятие о критическом зародыше .............................................. 151
6.2. Термодинамика и кинетика процесса зародышеобразования ....... 155
6.2.1. Термодинамика гомогенного зародышеобразования .............. 155
6.2.2. Термодинамика гетерогенного зародышеобразования ........... 157
6.2.3. Кинетика процесса зародышеобразования ................................ 166
6.3. Основные стадии и механизмы формирования слоев новой
фазы ........................................................................................................................... 169
6.3.1. Зародышевый механизм роста Фольмера – Вебера ................ 171
6.3.2. Механизм Франка – Ван-дер-Мерве .............................................. 179
6.3.3. Послойный беззародышевый механизм .................................... 180
6.3.4. Механизм Странского – Крастанова ............................................. 182
6.3.5. Спиральный механизм роста ........................................................ 189
6.3.6. Особенности роста наноструктур на фасетированных
поверхностях ........................................................................................................ 190
Глава 7. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ
ВЕЩЕСТВА (термодинамические свойства и
технологии) ............................................................ 195
7.1. Общая характеристика поверхностно-активных и инактивных
веществ ...................................................................................................................... 195
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
4
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
7.2. Технология получения наноразмерных органических пленок
методом Ленгмюра – Блоджетт ............................................................................. 199
7.3. Основы золь-гель технологии
наноструктурированных материалов ................................................................... 205
7.3.1. Терминология и основные понятия органической химии ....... 206
7.3.2. Терминология и основные понятия коллоидной химии .......... 212
7.3.3. Сущность и реализация золь-гель технологии .......................... 216
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 222
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................... 223
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ .......................... 224
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ............................ 229
Приложение ..................................................... 233
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
5
Стр.5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Высокотехнологичная электронная индустрия, сегодня во многом
определяет место развитого государства в постиндустриальном информационном
обществе. Примером современных достижений можно назвать кремниевые
процессоры, имеющие на одном квадратном сантиметре до 300 млн
транзисторов при минимальном размере элементов 45 нм. Но этот результат,
хотя и является впечатляющим, не исчерпывает всех достижений ученых и
инженеров, работающих над поиском и созданием новых наноэлементов.
Характерная особенность современного этапа развития технологии
элементной базы электроники – это быстрое техническое освоение последних
достижений в различных областях науки, таких как физика вакуума, физика
плазмы, физика твердого тела и тонких пленок, физика поверхности,
химическая термодинамика и кинетика, электрохимия, кристаллохимия, материаловедение
и др.
Еще около двадцати лет назад ключевое направление развития электроники
связывали с планарно-интегральной технологией, на основе которой
изготавливали кремниевые интегральные микросхемы, приборы оптоэлектроники,
акустоэлектроники, криоэлектроники и спинволновой электроники.
Но на рубеже веков произошла «нанотехнологическая революция»,
охватившая все жизненно важные сферы деятельности человека. По мнению
большинства экспертов в области научно-технической политики, последствия
развития нанотехнологий будут обширнее и глубже, чем «компьютерной
революции» последней трети XX в. В настоящее время среди элементов
наноэлектроники уже имеются лазеры на квантовых ямах и одноэлектронные
транзисторы, изготовленные методами нанотехнологии.
Элементная база электроники включает приборы, перекрывающие
огромный частотный диапазон от сверхнизких и низких звуковых частот до
высоких и сверхвысоких радиочастот, кончая оптическим и рентгеновским
излучением. Они выполняют самые разнообразные функции в системах передачи,
приема, хранения и обработки информации.
Одно только перечисление функциональных назначений приборов свидетельствует
об их огромном многообразии. Более того, это многообразие
расширяется за счет различия в принципе действия, частотно-геометрических
факторах и конструктивно-типовых признаках приборов. Отмеченные различия
естественно порождают и многообразие технологических процессов, методов,
операций и приемов изготовления электронных приборов и устройств.
В основе любого технологического процесса лежит определенное физическое,
химическое, электрохимическое или иное воздействие на материал с
целью управляемого изменения его состояния, структуры или состава. Такой
взгляд на технологические процессы позволяет выделить их базовые физикотехнологические
черты и увидеть общие физические закономерности, управляющие
данными процессами.
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
6
Стр.6
ПРЕДИСЛОВИЕ
В этих условиях при построении учебного курса единственно возможным
и методически оправданным остается дедуктивный подход к отбору
учебного материала (от общего к частному). Такой подход должен базироваться
на изложении фундаментальных физических и физико-химических закономерностей,
присущих различным технологическим процессам, используемым
при изготовлении приборов современной электроники. Именно подобный
методологический подход положен в основу построения настоящего
учебного пособия. Авторский отбор материала определялся исключительно
его применимостью к физико-технологическим проблемам электроники в ее
нанореализациях. Бесспорно, это ограничивает круг рассматриваемых физических
явлений, но позволяет в достаточно компактной форме охватить
наиболее значимые технологические процессы.
Учебное пособие включает семь глав.
В первой главе дано краткое описание основных этапов развития и современное
состояние технологии материалов и устройств электроники, в
частности, кремниевой технологии на пути от «микро-» к «нано-».
Во второй главе дана общая характеристика наноструктурированных
материалов, рассмотрена их классификации, квантовые и структурногеометрические
особенности нанообъектов пониженной размерности.
В третьей главе изложены современные основные представления о поверхности
и поверхностных структурах. Рассмотрены процессы реконструкции
и релаксации поверхностных атомных слоев, структурные дефекты реальных
поверхностей и межфазных границ.
Четвертая глава посвящена особенностям термодинамического описания
наночастиц и взаимосвязи физических свойств с геометрическими характеристиками
частиц малых размеров.
Пятая глава является классической для материаловедения и освещает
адсорбционные процессы на поверхности твердых тел. Рассмотрены вопросы
латерального взаимодействия при локализованной монослойной адсорбции, а
также двумерная конденсация и конденсация в мезапористых адсорбентах.
В шестой главе изложены современные представления о процессах зародышеобразования
и формирования новой фазы. С термодинамических и
кинетических позиций рассмотрены существующие модели механизмов роста
и самоорганизации поверхностных структур, особенности формирования
нановискеров и роста на фасетированных поверхностях.
Предмет содержания седьмой главы – поверхностно-активные и инактивные
вещества и их применение в нанотехнологии. Достаточно подробно
рассмотрена технология получения наноразмерных органических пленок методом
Ленгмюра – Блоджетт и основы золь-гель технологии.
Для облегчения работы с учебным пособием имеется предметный указатель,
список литературы, используемых терминов, определений и обозначений.
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
7
Стр.7