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