Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634757)
Контекстум
.

Введение в фемтонанофотонику (1161,60 руб.)

0   0
Первый авторАракелян Сергей Мартиросович
АвторыКучерик Алексей Олегович, Прокошев Валерий Григорьевич, Рау Валерий Георгиевич, Сергеев Алексей Георгиевич, Аракелян Сергей Мартиросович
ИздательствоМ.: Логос
Страниц744
ID590583
АннотацияИзложены базовые принципы и фундаментальные основы современной фемтонанофотоники с акцентом на перспективы практического использования ее достижений. Рассмотрены вопросы статистической физики и термодинамики наноструктур с применением методов математического моделирования их направленного конструирования. Приведены результаты по лазерному синтезу нанокластерной материи. Проанализированы структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния при управляемом лазерном формировании наночастиц на поверхности твердых тел, в том числе в аспекте проявления размерных эффектов и их квантовых аналогов. Затронуты вопросы метрологического обеспечения нанотехнологий и наноизмерений.
Кому рекомендованоДля студентов, обучающихся в высших учебных заведениях по направлениям подготовки "Оптотехника", "Лазерная техника и лазерные технологии", "Фотоника и оптоинформатика", специальностям "Оптотехника" и "Лазерная техника и лазерные технологии". Для преподавателей вузов, обеспечивающих проведение учебных занятий в области нанотехнологий и связанной с ними тематикой. Представляет интерес для ученых и специалистов, разрабатывающих проблемы фемтонанофотоники.
ISBN978-5-98704-812-2
УДК535.015
ББК3.22.34
Аракелян, С.М. Введение в фемтонанофотонику : фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов : учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 200400 (200200) "Оптотехника", 200500 "Лазерная техника и лазерные технологии", 200700 (200600) "Фотоника и оптоинформатика" и специальностям 200200 "Оптотехника" и 200201 "Лазерная техника и лазерные технологии" / А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Рау, А.Г. Сергеев; ред. С.М. Аракелян; С.М. Аракелян .— Москва : Логос, 2015 .— 744 с. : ил. — ISBN 978-5-98704-812-2 .— URL: https://rucont.ru/efd/590583 (дата обращения: 25.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

ВВЕДЕНИЕ В ФЕМТОНАНОФОТОНИКУ фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов Под общей редакцией С.М. Аракеляна Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 200400 (200200) «Оптотехника», 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», 200700 (200600) «Фотоника и оптоинформатика» и специальностям 200200 «Оптотехника» и 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии» Москва • 2015 • Логос УДК 535.015 ББК 3.22.34 А79 Рецензенты В.А. <...> Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов: учебное пособие / С.М. Аракелян, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Рау, А.Г. Сергеев; под общ. ред. <...> Проанализированы структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния при управляемом лазерном формировании наночастиц на поверхности твердых тел, в том числе в аспекте проявления размерных эффектов и их квантовых аналогов. <...> Затронуты вопросы метрологического обеспечения нанотехнологий и наноизмерений. <...> 134 ЧАСТЬ II. лазерный синтез нанокластерной материи – основные особенности, методы и характеристики . <...> Формирование субмикронных и наноструктур на поверхности углеродосодержащих материалов под действием лазерного излучения . <...> Лазерный синтез нанокластерных структур – коррелированные состояния и аналоги . <...> Основные физические следствия для наноструктурированных материалов . <...> Формирование металлоуглеродных соединений в процессе лазерного воздействия . <...> Микро- и наноструктуры. гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой микроскопии . <...> Основные методы лазерной диагностики лазерно-индуцированных <...>
Введение_в_фемтонанофотонику.pdf
Стр.1
Стр.2
Стр.3
Стр.4
Стр.5
Стр.6
Стр.7
Стр.8
Стр.9
Стр.10
Стр.11
Стр.740
Стр.741
Стр.742
Стр.743
Стр.744
Введение_в_фемтонанофотонику.pdf
ВВЕДЕНИЕ В ФЕМТОНАНОФОТОНИКУ фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов Под общей редакцией С.М. Аракеляна Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавриата 200400 (200200) «Оптотехника», 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», 200700 (200600) «Фотоника и оптоинформатика» и специальностям 200200 «Оптотехника» и 200201 «Лазерная техника и лазерные технологии» Москва • 2015 • Логос
Стр.1
УДК 535.015 ББК 3.22.34 А79 Рецензенты В.А. Быков, доктор технических наук, профессор, заместитель директора по науке научно-исследовательского института физических проблем им. Ф.В. Лукина, заместитель заведующего кафедрой микро- и наноэлектроники ФФКЭ МФТИ С.П. Зимин, доктор физико-математических наук, профессор кафедры микроэлектроники и общей физики Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова А79 Аракелян С.М. Введение в фемтонанофотонику: фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов: учебное пособие / С.М. Аракелян, А.О. Кучерик, В.Г. Прокошев, В.Г. Рау, А.Г. Сергеев; под общ. ред. С.М. Аракеляна. – М.: Логос, 2015. – 744 с. ISBN 978-5-98704-812-2 Изложены базовые принципы и фундаментальные основы современной фемтонанофотоники с акцентом на перспективы практического использования ее достижений. Рассмотрены вопросы статистической физики и термодинамики наноструктур с применением методов математического моделирования их направленного конструирования. Приведены результаты по лазерному синтезу нанокластерной материи – обсуждаются основные подходы и характеристики, включая лазерно-индуцированное возбуждение нелинейных гидродинамических явлений со стохастическим поведением и фрактальных структур в различных материалах в гибридных экспериментальных схемах, а также методы лазерной диагностики в реальном масштабе времени развития нелинейных динамических процессов и методы электронной и зондовой микроскопии. Проанализированы структурные фазовые переходы и коррелированные макроскопические состояния при управляемом лазерном формировании наночастиц на поверхности твердых тел, в том числе в аспекте проявления размерных эффектов и их квантовых аналогов. Затронуты вопросы метрологического обеспечения нанотехнологий и наноизмерений. Для студентов, обучающихся в высших учебных заведениях по направлениям подготовки «Оптотехника», «Лазерная техника и лазерные технологии», «Фотоника и оптоинформатика», специальностям «Оптотехника» и «Лазерная техника и лазерные технологии». Для преподавателей вузов, обеспечивающих проведение учебных занятий в области нанотехнологий и связанной с ними тематикой. Представляет интерес для ученых и специалистов, разрабатывающих проблемы фемтонанофотоники. УДК 535.015 ББК 3.22.34 ISBN 978-5-98704-812-2 © Аракелян С.М., Кучерик А.О., Прокошев В.Г., Рау В.Г., Сергеев А.Г., 2015 © Логос, 2015
Стр.2
ОглАВлЕНИЕ Предисловие ....................................................................................................................12 Часть I. Фундаментальные основы термодинамики и статистической физики наноструктур и методы математического моделирования направленного их конструирования ...........................................................18 Введение ..........................................................................................................................18 Глава 1. Статистическая физика .....................................................................................21 1.1. Фазовое пространство термодинамической системы ....................................21 1.2. Распределение молекул газа по объему (распределение Пуассона) .............25 1.3. Распределение вероятностей по проекциям скоростей молекул идеального газа (распределение Максвелла I) ...............................................27 1.4. Распределение вероятностей по величине скорости молекул идеального газа (распределение Максвелла II) ..............................................30 1.5. Распределение вероятностей по величине энергии молекул идеального газа. Теорема о средней кинетической энергии .........................32 1.6. Классическая статистика. Распределение Максвелла – Больцмана .............33 1.7. Микрообъекты. Распределение состояний по энергии в фазовом пространстве ......................................................................................................38 1.8. Статистика фермионов. Распределение Ферми–Дирака ...............................41 1.9. Статистика бозонов. Распределение Бозе – Эйнштейна ...............................47 1.10. Явления сверхтекучести жидкости и сверхпроводимости вещества с точки зрения статистики ................................................................................52 Глава 2. Термодинамика ..................................................................................................55 2.1. Функции состояния термодинамической системы ........................................55 2.2. Энергетический баланс в термодинамической системе. Первый закон термодинамики .........................................................................58 2.3. Термодинамические изопроцессы ...................................................................63 2.4. Циклические процессы. Второй закон термодинамики ................................64 2.5. Характеристические функции. Термодинамические потенциалы ...............70 2.6. Тепловая теорема Нернста. Принцип недостижимости абсолютного нуля температур. Способы получения низких температур ...........................75 2.7. Система в термостате. Распределение Гиббса ...............................................77 2.8. Связь статистической физики и термодинамики. Формула Больцмана для энтропии ......................................................................................................80 2.9. Уравнение состояния реального газа Ван-дер-Ваальса. Межмолекулярное взаимодействие .................................................................84
Стр.3
4 Оглавление 2.10. Многофазные гетерогенные системы. Правило фаз Гиббса .......................88 2.11. Нелинейные процессы в термодинамике. Тепловые структуры. Понятие о синергетике. Кинетическое уравнение Больцмана......................93 2.12. Кристаллическое состояние вещества. Моделирование роста кристаллов. Наноструктуры ...........................................................................104 Выводы ....................................................................................................................122 Тестовые вопросы и задания .................................................................................125 Список литературы.................................................................................................134 ЧАСТЬ II. лазерный синтез нанокластерной материи – основные особенности, методы и характеристики ............................136 Введение .........................................................................................................................136 Глава 3. Лазерные методы получения наноструктурированных материалов ...........143 3.1. Осаждение методом PVD (Physical Vapor Deposition) .................................145 3.2. Осаждение методом CVD (Chemical Vapor Deposition) ...............................146 3.3. Подходы на основе возбуждения лазерной плазмы .....................................147 3.4. Образование пространственно-неоднородных структур из жидкой фазы ...............................................................................................148 3.5. Общие представления об эффекте лазерной абляции .................................152 3.6. Лазерная абляция материала в жидкостях ....................................................160 3.7. Лазерное осаждение металлов из растворов ................................................163 3.8. Активация поверхности подложки ...............................................................165 3.9. Активация поверхности подложки физическим механизмом.....................167 3.10. Химическая активация поверхности подложки .........................................168 3.11. Лазерные методы получения полупроводниковых наночастиц ................168 3.12. Формирование субмикронных и наноструктур на поверхности углеродосодержащих материалов под действием лазерного излучения .........................................................................................................169 3.12.1. Наночастицы, нанокластеры, наноструктуры и методы их получения в поле лазерного излучения ............................................170 3.12.2. Аллотропные формы углерода. Углеродные нанотрубки ................170 3.12.3. Получение нанотрубок и наноструктур ............................................177 Глава 4. Лазерный синтез нанокластерных структур – коррелированные состояния и аналоги .......................................................................................................182 4.1. Распространение света в сильно неоднородной среде − аналогия с явлением андерсоновской локализации для электронов и квантовыми макроскопическими состояниями конденсации ..........................................183 4.2. Образование кластеров. Основные физические следствия для наноструктурированных материалов ............................................................191 4.3. Электропроводимость наноструктурированных слоев ...............................200
Стр.4
Оглавление 5 4.4. Роль поверхностных эффектов в развитии структурных фазовых переходов при наноструктурировании материалов .....................................204 4.5. Аналогия с коррелированными состояниями конденсированной среды ...213 4.5.1. Коррелированное состояние ансамбля наночастиц ...........................213 4.5.2. Аналогия с квантовыми фазовыми переходами .................................218 4.6. Кинетический подход к анализу физических механизмов, ответственных за лазерно-индуцированное формирование ансамбля наночастиц .......................................................................................................221 4.7. Итоговое обсуждение ......................................................................................225 Глава 5. Структурные фазовые переходы. Эксперимент и методы анализа .............226 5.1. Эксперименты по лазерному возбуждению наноструктур и результаты их диагностики .........................................................................226 5.1.1. Образование ансамбля наночастиц с бимодальным распределением по размерам при воздействии непрерывного лазерного излучения на полупроводниковые пленки PbTe ..............227 5.1.2. Лазерный синтез кластеров в коллоидных растворах и основные их характеристики ............................................................231 5.1.3. Формирование металлоуглеродных соединений в процессе лазерного воздействия ..........................................................................236 5.1.4. Образование наноструктурированной поверхности на подложке при лазерной абляции с поверхности мишени ............240 5.1.5. Исследование титановых тонких пленок, полученных при фемтосекундной лазерной абляции .............................................241 5.2. Теоретическая интерпретация экспериментов и процедуры расчета ........246 5.2.1. Бимодальное распределение наночастиц в рамках дефектно-деформационной модели и возможные ее следствия для описания локализации коррелированных состояний в кластерных системах .........................................................................246 5.2.2. Использование методов фрактальной геометрии для анализа морфологических свойств и управления качеством получаемого информационного наноструктурированного массива по результатам АСМ-измерений ...........................................255 5.2.3. Преимущества метода...........................................................................264 5.2.4. Диффузионные процессы в коллоидных системах. Эффекты фрактальной размерности ....................................................................264 5.2.5. Наноструктурирование поверхности при лазерной абляции – общий анализ в рамках кластерного подхода на основе методов фрактальной геометрии .........................................................267 5.3. Электрофизические свойства металлических/полупроводниковых микроконтактов кластерного типа на твердой подложке, полученных
Стр.5
6 Оглавление методом лазерного осаждения фрактальных структур наночастиц из коллоидных систем ....................................................268 5.3.1. Электрофизические свойства наноструктур ......................................269 5.3.2. Эксперимент ..........................................................................................271 5.3.3. Фрактальная модель и обсуждение .....................................................273 5.3.4. Основные физические следствия для наноструктурированных электропроводящих слоев и перспективы дальнейших исследований .........................................................................................278 5.4. Оптоэлектронные свойства биметаллических комплексов благородных металлов ...........................................................................................................282 5.4.1. Методика эксперимента по осаждению биметаллических кластеров; оценки влияния размерных эффектов ..............................284 5.4.2. Условия и результаты эксперимента по лазерной абляции наночастиц из коллоидной системы ....................................................286 5.4.3. Оптические свойства осажденных структур ......................................289 Выводы ....................................................................................................................291 Тестовые вопросы и задания .................................................................................293 Список литературы.................................................................................................294 Часть III. Микро- и наноструктуры. гидродинамические неустойчивости, индуцированные лазерным излучением на поверхности твердых тел, и их диагностика методами лазерной и зондовой микроскопии ..............................................................................................308 Введение .........................................................................................................................308 Глава 6. Основные методы лазерной диагностики лазерно-индуцированных неоднородных структур в ванне расплава на поверхности твердого тела ...............311 6.1. Методы диагностики лазерно-индуцированных процессов .......................312 6.2. Лазерная диагностика поверхности твердого тела, облучаемой мощным лазерным излучением, при помощи усилителя яркости оптических изображений ...............................................................................316 6.3. Экспериментальная схема и методика измерений .......................................318 6.4. Гидродинамика формирования микроструктур при лазерном воздействии на вещество ................................................................................326 6.4.1. Гидродинамические процессы в ванне расплава ...............................326 6.4.2. Математическая модель термокапиллярной конвекции ....................327 6.4.3. Математическое моделирование динамических процессов при образовании структур и неустойчивостей на поверхности твердого тела при расплаве вещества ....................................................331 6.4.4. Экспериментальные результаты ..........................................................335 6.5. Лазерный синтез углеродных наноструктур на поверхности твердого тела ...................................................................................................................340
Стр.6
Оглавление 7 6.5.1. Экспериментальная методика ..............................................................341 6.5.2. Образование микро- и наноструктур на поверхности стеклоуглерода при лазерном воздействии ........................................345 6.5.3. Особенности структуры поверхности углеродосодержащих материалов после кристаллизации расплава вещества при воздействии лазерным импульсно-периодическим излучением ............................................................................................358 Глава 7. Плавление графита при лазерном воздействии на его поверхность и диагностика динамических процессов в реальном масштабе времени в атмосферном воздухе ..................................................................................................364 7.1. Методика эксперимента ..................................................................................364 7.2. Экспериментальные результаты и их обсуждение .......................................365 7.3. Процедура восстановления трехмерного рельефа поверхности по ее двумерным изображениям ....................................................................368 7.4. Плавление углерода при лазерном нагреве образца в атмосферном воздухе ..............................................................................................................376 7.5. Исследование поверхности образцов после лазерного воздействия ..........379 7.5.1. Комбинационные спектры образцов после лазерного воздействия ............................................................................................380 7.5.2. Контроль состояния нагреваемой лазерным излучением поверхности графита с помощью лазерного монитора и оптического микроскопа ...................................................................382 Глава 8. Формирование углеродных субмикронных структур и наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии лазерного излучения на углеродосодержащие материалы в атмосферном воздухе ....................................387 8.1. Тепловая и гидродинамическая модели лазерной абляции .........................387 8.2. Экспериментальная методика ........................................................................391 8.3. Наблюдение динамики процесса лазерной абляции и осаждения частиц на подложку в реальном масштабе времени при помощи лазерного монитора.........................................................................................394 8.4. Исследование области осаждения аблированных частиц на подложке при помощи сканирующего зондового микроскопа ....................................395 8.5. Формирование субмикронных структур и наноструктур в слоистой углеродосодержащей системе подложка из кварцевого стекла-металл .........397 8.6. Результаты экспериментов ..............................................................................400 8.7. Формирование наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии импульсно-периодического излучения с наносекундной длительностью импульсов .............................................................................401 8.8. Экспериментальное сопоставление процессов лазерной абляции твердых мишеней в воде и воздухе при пикосекундной длительности импульсов.........................................................................................................405
Стр.7
8 Оглавление 8.9. Способ осаждения частиц из плазменного эрозионного факела управляемым геометрическим макрораспределением ................................407 8.10. Характеристики формирующихся наноструктур на поверхности холодной подложки при воздействии непрерывного лазерного излучения .........................................................................................................408 Глава 9. Нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости, возбуждаемых лазерным излучением. Фрактальные свойства поверхности ..........412 9.1. Гидродинамические неустойчивости ............................................................412 9.2. Пространственные характеристики оптического изображения области лазерного воздействия на поверхность вещества ........................................416 9.3. Распределение энергии по пространственным частотам для гидродинамического процесса в области лазерного воздействия .......419 9.4. Количественные характеристики оптических изображений области лазерного воздействия ....................................................................................420 9.5. Формирование волновых структур на поверхности расплава при импульсно-периодичном лазерном воздействии ..................................425 9.6. Нелинейная динамика поверхностных колебаний жидкости, возбуждаемых лазерным излучением. Фазовые портреты колебаний .......426 9.7. Временные характеристики гидродинамических неустойчивостей, индуцированных мощным лазерным излучением. Восстановление фазового портрета ...........................................................................................429 Выводы ....................................................................................................................439 Тестовые вопросы и задания .................................................................................441 Список литературы.................................................................................................444 Часть IV. гибридные лазерные методы получения и осаждения наноструктур композитного состава с управляемой морфологией на поверхности твердых тел; моделирование динамических процессов ......................457 Введение .........................................................................................................................457 Глава 10. Формирование микро- и наноструктурированных углеродных поверхностей на прозрачной подложке за счет использования газодинамического канала, по которому происходит транспортировка испаренного вещества при лазерном воздействии.............................................................................................459 10.1. Методика эксперимента ................................................................................459 10.2. Исследование процессов формирования протяженных массивов наноструктур в процессе возбуждения плазмы при воздействии непрерывного лазерного излучения ..............................................................461 10.3. Исследование процессов формирования пленок на поверхности холодной подложки при воздействии на образцы импульснопериодического лазерного излучения с миллисекундной длительностью импульсов .............................................................................461
Стр.8
Оглавление 9 10.4. Исследование процессов формирования пленок на поверхности подложки при воздействии на образцы импульсно-периодического лазерного излучения с наносекундной длительностью импульсов ...........465 10.5. Исследование процессов формирования пленок на поверхности подложки при воздействии на образцы импульсно-периодического лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульсов .........467 10.6. Моделирование распространения испаренного вещества в канале, образованном мишенью и подложкой ...........................................................470 10.7. Управляемый метод осаждения частиц из лазерного плазменного эрозионного факела в твердотельной структуре со сложным/ периодическим рельефом ...............................................................................473 Глава 11. Лазерный синтез углеродных нановолокон и нанокластеров в схемах с внешними электрическими и магнитными полями .................................................477 11.1. Лазерный синтез наноструктур в присутствии постоянного электрического поля........................................................................................477 11.2. Воздействие лазерного излучения на углеродные образцы в присутствии неоднородного магнитного поля ..........................................481 11.3. Исследование структурных свойств осаждения с применением методов фрактальной геометрии ...................................................................484 11.4. Исследование осажденного слоя методами КР-спектроскопии ................485 11.5. Моделирование процесса образования нановолокон .................................486 Глава 12. Создание наноструктурированных композиционных металлоуглеродных материалов при управляемом лазерном воздействии на порошковые системы из углеродных нанотрубок и наночастиц металлов ....................................................488 12.1. Описание эксперимента ................................................................................488 12.2. Формирование металлоуглеродных соединений в процессе лазерного воздействия ......................................................................................................490 12.2.1. Изучение поверхности мишени после воздействия лазерного излучения .............................................................................................490 12.2.2. Исследование поверхности холодной подложки после воздействия лазерного излучения .....................................................492 12.3. Исследование структуры осажденного слоя на основе подходов фрактальной геометрии ..................................................................................494 Глава 13. Лазерные методы получения из металлов и оксидов коллоидных систем и осаждение их на поверхность твердых тел ................................................495 13.1. Получение коллоидных систем при лазерной абляции металлов в жидкости .......................................................................................................496 13.2. Условия и результаты эксперимента ............................................................592 13.3. Обсуждение. Моделирование процессов лазерной абляции в жидкости .......................................................................................................500
Стр.9
10 Оглавление 13.4. Формирование на подложке наноструктурированного слоя из полученного коллоидного раствора ..........................................................503 Глава 14. Формирование системы микрократеров на поверхности стеклоуглерода и титана при воздействии фемтосекундным лазерным излучением в условиях быстрого охлаждения в жидком азоте..........................................................................505 14.1. Условия эксперимента для стеклоуглерода .................................................506 14.2. Результаты эксперимента для стеклоуглерода и обсуждение ...................508 14.3. Методика эксперимента для титана .............................................................512 14.4. Результаты и обсуждение для титана ..........................................................513 Глава 15. Наноструктуры с составом из благородных металлов: жидкостные и тонкопленочные системы ...........................................................................................516 15.1. Гидродинамические процессы в области лазерного воздействия в условиях формирования «квантового пузыря». Наблюдение в реальном масштабе времени .......................................................................517 15.2. Оптические спектры поглощения в условиях лазерного индуцирования тепловых процессов ........................................................................................522 15.2.1. Оценки для лазерного нагрева наночастиц в коллоидной системе .................................................................................................524 15.2.2. Остывание наночастиц в коллоидной системе .................................525 15.3. Оптические свойства наноструктурированных золотосеребряных пленок, полученных с помощью осаждения малых капель коллоидов .....526 15.3.1. Приготовление пленок ........................................................................527 15.3.2. Измерение оптических свойств .........................................................529 15.3.3. Моделирование оптических свойств .................................................531 Выводы ....................................................................................................................532 Тестовые вопросы и задания .................................................................................534 Список литературы.................................................................................................534 Часть V. Компьютерное моделирование элементов оптоэлектронных систем и фотоники на микро- и наноуровне ........................................................................543 Введение .........................................................................................................................543 Глава 16. Наносистемы в микроэлектронике ..............................................................544 16.1. Современное состояние микроэлектроники ...............................................544 16.2. Нанотехнологии в наноэлектронике ............................................................546 16.3. Методы и технологии получения гетероструктур ......................................550 16.4. Использование органических соединений для радиосистем ....................557 Глава 17. Компьютерные технологии в наноструктурном анализе ...........................562 17.1 Общие сведения ..............................................................................................562 17.2. Методы моделирования роста наноструктур..............................................564
Стр.10
Оглавление 11 17.3. Метод дискретного моделирования разбиений и упаковок ......................570 17.4. Основные понятия теории роста квантовых точек ....................................574 17.5. Комплекс программ «Компьютерный наноскоп» .......................................575 Глава 18. Проектирование радиотехнических наноэлементов и наносистем ..........580 18.1. Квантовые точки для нанотехнологий ........................................................580 18.2. Проектирование непериодических сверхрешеток .....................................586 18.3. Моделирование полупроводниковых органических структур ..................592 18.4. Электродинамическое моделирование фрактальных антенных систем .....595 18.5. Исследование и компьютерное моделирование перспективных материалов для радиосистем на наноуровне ................................................606 18.6. Существующие проблемы и перспективы их решения .............................612 Выводы ....................................................................................................................614 Тестовые вопросы и задания .................................................................................615 Список литературы.................................................................................................618 Часть VI. Метрологическое обеспечение наноизмерений. Базовые принципы ......................................................................................................623 Введение .........................................................................................................................623 Глава 19. Концепция развития нанометрологии .........................................................624 Глава 20. Техническое обеспечение нанометрологии ................................................629 20.1. Оптическая микроскопия .............................................................................629 20.2. Электронная микроскопия ............................................................................634 20.3. Сканирующая зондовая микроскопия .........................................................646 20.4. Спектроскопия и хроматография в нанометрологии .................................672 20.5. Сравнительный анализ технических средств нанометрологии ................680 Глава 21. Поверка и калибровка в сфере нанометрологии .........................................691 21.1. Общие положения .........................................................................................691 21.2. Поверка и калибровка рельефной меры ......................................................695 21.3. Поверка и калибровка растровых микроскопов .........................................703 21.4. Поверка и калибровка атомно-силовых микроскопов ...............................707 21.5. Организационные основы нанометрологии ...............................................713 Выводы ....................................................................................................................721 Тестовые вопросы и задания .................................................................................722 Список литературы.................................................................................................723 Приложение ...................................................................................................................724 Заключение ....................................................................................................................735 Об авторах .....................................................................................................................741 Summary .........................................................................................................................742
Стр.11
740 Заключение сборки позволит разрабатывать требуемые функциональные/конструкционные материалы для различных приложений. Можно надеяться, что все эти задачи оптоэлектроники и фотоники, безусловно, будут решены в самое ближайшее время и востребованы как в образовательной, так и научно-технической сферах, а их прикладной аспект – и в высокотехнологичных производственных отраслях. Уникальность достижений фемтонанофотоники уже на современном этапе будет способствовать привлечению молодежи в эту сферу, которой и предстоит сделать еще множество открытий в перспективных направлениях на благо нашей страны, в том числе в интересах повышения уровня ее национальной безопасности.
Стр.740
об авторах аракелян сергей Мартиросович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики и прикладной математики Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Действительный член акаделии инженерных наук им. А.М. Прохорова. Член Нанотехнологического общества России, Совета российско-французского Европейского научного объединения «Лазеры и оптические информационные технологии». Сфера научных интересов: лазерная, когерентная, нелинейная и квантовая оптика, квантово-размерные эффекты в наноматериалах, лазерно-информационные системы и технологии, фемтонанофотоника. Автор более 200 научных трудов. кучерик алексей олегович, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник кафедры физики и прикладной математики Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Сфера научных интересов: математическое и имитационное моделирование физических процессов, фрактальная геометрия, материаловедение наноструктурированных систем. Член Нанотехнологического общества России. Автор более 100 научных трудов. прокошев валерий Григорьевич, доктор физико-математических наук, профессор, первый проректор, проректор по научной и инновационной работе Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых». Сфера научных интересов: Лазерная физика, лазерноплазменные методы получения наноматериалов, технологии распознавания образов и цифровая обработка изображений. Автор около 120 научных трудов. рау валерий Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор Владимирского филиала Российской академии государственной службы при Президенте Российской Федерации. Сфера научных интересов: фундаментальные основы кристаллографии, моделирование и рост наноструктур. Автор более 100 научных трудов. сергеев алексей Георгиевич, доктор технических наук, профессор, помощник ректора Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Заслуженный деятель науки и техники РСФСР. Сфера научных интересов: управление качеством и метрологическое обеспечение эксплуатации технических устройств, нанометрология. Автор более 50 научных трудов.
Стр.741
SUMMARY In this tutorial presented recent advances rapidly developing direction – femto-nanophotonics – with emphasis on the statement of fundamental principles and results of the unique laser-driven methods of obtaining and diagnostics of nanostructured materials. In this tutorial are basic principles and fundamentals of thermodynamics and statistical physics of nanostructures with the use of mathematical modeling methods aimed to build them. Reviewed laser synthesis nanocluster matter discusses the main methods and characteristics. Analyzed structural phase transitions and correlated macroscopic state controlled laser synthesis of nanoparticles on the surface of solids, including in the aspect of manifestation of size effects and their analogues. An important unit of the tutorial is to present the basic principles and basis of metrological support of measurement in nanotechnology. The final part of the tutorial contains new physical principles of creation of optical devices using nanostructures. Each part of the book ends with the test questions and tasks for students. The material presented is richly illustrated with relevant illustrations, graphs, tables and others, including basic characteristics of the new methods of research and diagnostics for nanostructured materials using the most modern scientific, scientific-technical and technological equipment, as well as diagnostic and metrological equipment, with emphasis on the latest achievements of the laser industry. In the scientific aspect of the important problems discussed in the book include to main stream of the modern femtonanophotonics and can be formulated as the laser-induced nanocluster surface structures with controlled functional properties. There are three types of fundamental principles in ideology frames such as 1) dimension depended from phenomena in any manifestation including the quantum dimension effects for nanostructures of 10 nm (number of atoms ~103 ); 2) surface nanostructures and different defects and also boundary conditions for phase transition in inhomogeneous layers and composite materials (1 nm ... 100 nm); 3) near-field effects with local extreme values of the physico-chemical key parameters for low dimensional structures have to be taken into account for laser induced micronanostructured composite materials. We are considering the laser ablation phenomena and the problems around; laser experiments with colloidal systems; electrical transport properties in analogy with quantum correlated states; surfaceinduced effects of structural phase transition and photon localization processes and their analogues. In progress the field assumes to study the cluster structures taking into account (in both theory and experiment) correlations in NPs-ensemble; analogy with quantum phase transition/BEC-state; kinetic quantum procedure for dynamic cluster fabrication processes. In a narrow but perspective and new direction the item is selected as follows: laser synthesis of semiconductor/metal/composite nanoparticles by methods of both laser modi
Стр.742
Summary 743 fication of thin films and laser evaporation of substance in liquid to produce the colloidal systems. In the last case under a cw-laser radiation the nanoparticles become quantum dots. By drop deposition technique the structures arise with various morphology which depends on the substrate temperature. The optical and electrophysical properties of the structures can be controlled and are very important to construct the devices of optoelectronics and photonics on new physical principles for example to study electrical transport properties under quantum tunneling effect. Comparison of sizes R0 enables to say that the conditions of dimensional quantization are satisfied for nanoparticles. On the other hand, when the nanoparticles drop on the solid surface they are accumulated in clusters of bigger size. So, we can study the macroscopic quantum phenomena development in dependence on R0 radius aB shows that the strict condition R0 . The main conclusion of the study is that the island conductivity is dominant for the quantum effect and multiple interference take place. For such nanostructures the superconductivity tendency can verify to increase the eleccase. An electrical resistance can dramatically decrease due to spontaneous selected multichannel/parallel electron transportation trajectories. There are two conditions which are the important items for that: the cluster size a < l, where l is the inelastic length, and distance d between two neighboring clusters is less the de Broglie wavelength λdB . So, the tunneling trical conductivity (in several times) at room temperature in comparison with homogenous sample. The fact can be explained in analogy with correlated particles/coupling pairs from two sides of the border for double electric layer/two barriers due to quantum hole being under a coherent tunnel effect. The more detailed study of the coupling between the nanostructure topology and functional dynamic properties of the unit and the future advantages to solve the existing problems will allow us to respond to modern challenges for the creation of new technologies by synthesis of nanomicrostructures on the surface of various materials in laser experiment including the cluster and metamaterials fabrication. The approach should result in the new generation of both photonics and hybrid optoelectronics devices in nearby future in particular a quantum information processing. of the particles being obtained with the value of exciton Bohr ≤ aB = 50-100 nm is true. The comparing above
Стр.743
                   Издательская группа «Логос»    
Стр.744