Өлшемдік эффекттердің наноматериалдар қасиеттеріне әсері
Кіріспе.
ХХ-ХХІ ғасыр аралығында жаңа қарқынды дамушы ғылыми-техникалық бағыт қалыптасты, оны үш ұғыммен түсіндіруге болады: наноғылым, нанотехнология, наноиндустрия.
Наноғылым нанометрлі өлшемдердің бастапқы қасиеттерін және онымен байланысты құбылыстарды зерттейді. Нанообъекттерге түрлі конфигурациялы материалды объекттерді жатқызады: еш болмаса бір сызықты өлшемдері 1-100 нм, яғни 10-9-10-7 м болатын бөлшектер (дәндер), талшықтар, түтікшелер және пленкалар т.б. Кіші өлшемдер жағынан қарасақ бұл аралық әлбетте атом мен молекуланың өлшемдер ауданымен тұспалдас келеді, ал нанообъектті микрообъекттен бөліп тұратын ауданы, оның жоғарғы шегі, шартты түрде белгіленген. Жалпы алғанда оны зат қасиетін анықтайтын, қандай да болмасын сипаттамалық өлшем параметрлерімен байланыстыруға болмайды, мысалға, магниттік домендер, заряд тасымалдаушылардың еркін айналымының ұзындығымен немесе де Бройль толқын ұзындығымен, себебі әртүрлі заттар үшін бұл параметрлердің мәні айтарлықтай әркелкі болуы мүмкін.
Нанотехнология, бұл нанообъекттер жасау мәселесін шешеді, оларды конфигурацияларына байланысты наноқұрылымды элементтер немесе наноқұрылымдар, олардың негізінде жасалатын материалдарды, сәйкесінше, наноқұрылымды материалдар немесе жай ғана наноматериалдар, және құрамында наноматериалдар қолданылған заттар деп атайды. Нанотехнология терминін қолдана отырып көпше түрде бұл аумақтағы бағыттардың көптүрлілігін немесе нақты технология комплексін жеткізеді.
Наноиндустрия наноматериалдардың ауқымды өндірісін және олардың негізіндегі бұйымдардың адам тіршілігіндегі түрлі салалардағы қолданысын қамтамасыз ету керек.
Көріп отырғанымыздай, наноғылым, нанотехнология, наноиндустрия ұғымдары бір-бірімен тығыз байланысты. Сондықтан бұл ғылыми-техникалық бағытты қарастырғанда тек нанотехнология ұғымын жиі қолданады, оның мағынасында технологияның ғылыми негізі және өндірістік аспектілер жатыр. Бұл тұстан қарау өте орынды. Бірақ-та, шетел әдебиеттерінде nanoscience термині жиі қолданылады, сонда да, қаттырақ айтсақ, наноғылым жеке ғылым бағыты болып есептелмейді, ол физиканың, химияның, биологияның, математиканың және бірқатар техникалық және гуманитарлық ғылымдардың фундаментальді жағдайларынан және зерттеу әдістерінен құралады, бұл нанотехнологияның пәнаралық орнын анық көрсетеді.
Нанотехнологияны дәстүрлі жолмен қол жеткізе алмайтын, жаңа эксплуотациялық қасиетке ие материалдар мен олардың негізіндегі бұйымдар жасауға шақыратынын атап өткен маңызды. Бұл нанотехнология терминінің мағынасы 2004 жылдың қарашасында қабылданған сөйлемдердегі анықтамасында түсіндіріледі Ресей Федерациясындағы нанотехнология бағытындағы жұмыстардың 2010 ж дейінгі даму концепциялары: нанотехнология - өлшемі 100 нм-ге дейін болатын, жаңа қасиетке ие объекттерді бақылау арқылы жасауға және модификациялауға мүмкіндік беретін әдістер мен тәсілдердің жиыны.
Наноматериалдар айтарлықтай әртүрлі. Нанобөлшектердің кешені, яғни, наноұнтақ, мысалы катализатор ретінде жеке дара материал ретінде де қолданыла алады. Наноұнтақты біріктіру немесе пресстеу арқылы өте берік материалдар алуға болады. Қосымша ретінде наноұнтақтар көптеген композитті материалдар құрамына қосылып, оларға бірегей механикалық, жылулық немесе электрофизикалық сипаттамалар береді.
Неліктен наноматериалдар осындай бірегей қасиеттерге ие болады? Бұл сұраққа қысқаша түрде келесідей жауап беруге болады: біріншіден, микро- күйден нанообъектке өткенде бетте орналасқан атомдар санының көлемдегі атом санына қатынасы артады, нәтижесінде беттік әрекеттесу күштерінің және бөліну шекарасының зат қасиетіне әсері күшейеді. Екіншіден, бөлшектер өлшемінің кішіреюімен кванттық эффектілер дәрежесі арта бастайды. Бірінші фактордың маңызы, мысалға, бірегей механикалық қасиеті бар наноматериалды алуда анықтаушы болады, ал екінші фактор - наноэлектроника элементтерін жасауда маңызды орын алады.
Осылайша, наноқұрылымды зат оның көлемдік күйіндегі көрсететін физика-химиялық қасиеттерінен жақсы, жаңа қасиетке ие деп белгілеуге болады. Бұл, көбіне наноқұрылым деп аталатын, жаңа сапалық күйге көшу көптеген заттар үшін құрылымдық элементтер өлшемінде 100 нм-ден аз шамасында басталады.
Нанотехнологияның белгілі микро- және макротехнологиядан тағы бір маңызды ерекшелігі төменнен-жоғары принципіне қол жеткізуге болатындығында, бұл принцип жеке атом мен молекулаларды жинастыру арқылы талап етілетін құрылымға қол жеткізетін болжам тудырады. Бұл ретте маңызды орынды тірі жүйелерде өтетін секілді, атомаралық және молекулааралық әрекеттесулердің нәтижесінде болатын өздік ұйымдасу және өздік жинақтау процесстері алады. Белгіленген, кейде жоғары көтерілуші немесе өрлеуші деген атауға ие болған принцип, материалдарды механикалық өңдеуден, химиялық әсерлер мен ұсақтау нәтижесінде болатын, дәстүрлі технологиялық жоғарыдан-төмен (төмен түсетін) принципінен әлдеқайда ерекшеленеді.
Ең алғаш жеке атомдарды керек реттілікпен құру жолымен талап етілетін қасиетке ие заттарды алу идеясын Нобель лауреаты Р. Фейнман 1959 жылдың желтоқсанындағы Американдық физикалық қоғамның жиынында оқылған There is plenty room in the botoom, әдетте орысша аудармасы Там внизу еще очень много места деп аталатын дәрісінде атап өткен. Бұл идея американдық ғалым Э. ДРекслермен ары қарай дамытылды, ол 1986 жылы Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии атты кітабында жеке атомдар мен молекулаларды жинастыру жолымен түрлі механизмдердің мүмкіншілігін жариялады. Айта кеткен жөн, нанотехнология термині анық түрде 1974 жылы жапондық ғалым Н. Танигучидің еңбектерінде қолданыла бастады, бірақ ол кездегі терминнің қолданылу аясы басқа еді, яғни термин материалдарды нанометрдің ондық үлесіне дейін өңдеуін білдірді (атом немесе жай молекула өлшеміне дейін).
Бірақ ұзақ уақыт арасында нанотехнологиялық идеялар тәжірибелік қолданысқа ие бола алмады, ол ең алдымен техникалық базаның жеткіліксіздігінен болды. Терминнің орнықты болуында сапалық серпілісіне 1981 жылы сканирлеуші туннельді микроскоптың, ал 1986 ж - атомды микроскоптың ойлап табылуы үлкен септігін тигізді. Екі аспаптың да жұмыс істеу принципі жүзінің радиусы ~10 нм болатын жіңішке зондты зерттелетін нысанға шамамен 1 нм қашықтыққа жоғары дәлдікпен жақындатып қолдануына негізделген. Беттің рельефі жайлы ақпаратты жеткізуді электрлік ток атқарады, бірінші жағдайда ол зонд пен оның астында орналасқан беттің ауданының арасында квантмеханикалық эффект - потенциалды барьер арқылы электрондардың туннельденуі есебінен пайда болады, екінші жағдайда - зондтың беттің атомдарымен әрекеттесу күшінен пайда болады. Екі микроскоптың да шамасы нанометрдің ондық үлесіне дейін шешуге жетеді, ол жеке атомдарды идентификациялауға және олардың беттегі орнын жоғары дәлдікпен анықтауға мүмкіндік береді.
Есте қаларлық жағдай, зондты микроскоптарды ойлап табу және олардың кейініректегі жетілген түрлерін жасау зат құрылысын зерттеудің мүмкіншіліктерін ғана арттырып қойған жоқ, сонымен қатар зерттеушілерді жеке атомдарды игеру идеялары жолында жаңа технологиялық әдістермен қаруландырды. Әдетте бұл идеялардың тәжірибелік орындалуының жарқын көрінісі ретінде ІВМ компаниясының қызметкерлерімен 1990 ж. жасалған тәжірибесі алынады, ол тәжірибеде никельдің монокристалының бетіне өз компанияларының атын 35 ксенон атомын сканирлеуші туннельді микроскоп көмегімен араластырып жасады. Атомдардың араласуы зондқа берілген белгілі кернеу шамасында зонд ұшына электростатикалық тартылысының нәтижесінде жүрді.
Жаңа тәжірибелік жүйенің қалыптасуына нанотехнология саласындағы зерттеулер елеулі үлесін қосты. 1990 жылдардың басынан бұл тақырыпқа байланысты наноматериалдардың қасиеттері, оларды алу және қолдану әдістері жайында ғылыми басылымдардың саны күн санап артуда. Адам тіршілігінің түрлі саласына наноматериалдарды енгізудің болашағының ауқымдығы соншалық, көптеген зерттеушілер бұл құбылысты жаңа ғылыми-техникалық революция деп атауға келтіріп отыр.
Нанотехнологияның жылдам дамуына және өткізілетін жұмыстардың координациясы үшін көптеген өндірістік дамыған елдерде арнайы бағдарламалар белгіленген, ол зерттеулердің келешекті бағыттарын және қолданбалы өңдеулерін, алынған нәтижелерді қолдану аясын, жұмыстың орындалу уақытын және негізгі қаржыландыру принциптерін анықтайды.
2000 ж АҚШ-да Ұлттық нанотехнологиялық инициатива деп аталатын ұзақ мерзімді бағдарлама қабылданды, бұл бағдарламаға сәйкес, ғылым мен техниканың жоғары ретті дамуына жатқызылған, нанотехнология аясындағы зерттеулер материалдар өндірісіндегі түбегейлі өзгерістерге алып келуі тиіс, атап өтер болсақ, электроникада, космонавтикада, биология және медицинада, энергетикада, қоршаған ортаны қорғау және т.б. Осыған ұқсас бағдарламалар сонымен қатар Жапонияда, Қытайда, Оңтүстік Кореяда, көптеген еуропалық елдерде қабылданған.
Ресейде 2007 ж наноиндустрияның дамуының негізгі мақсаттарын және оның шешімі мен күтілетін нәтижелерін анық анықтайтын Наноиндустрияның дамуының стратегиясы деп аталатын президенттік жоспар жарияланды. Бұл құжатта әлем нанотехнология саласындағы ғылымның ашылулары және тәжірибелік қолданысының жетістіктерінің дамыған жаңа жолына түсуде және Ресей әлемдік рынокқа сәйкес қалыптасқан инновациялық проекттер және ашылулардың іске асуы мен жетілуінде маңызды орынды алу керек деп белгіленген. Ал нанотехнологиялық енгізулермен байланысты болашақ жетістіктердің қатарындағы жаңа басқару жүйелері, жеңіл және берік конструкциялық материалдар барлық түрдегі ұшқыш аппараттардың, бірінші кезекте самолеттер мен космостық кемелердің бағасын және сенімділігін айтарлықтай арттырады деп көрсетіледі.
Президенттік жоспарды іске асыру үшін 2015 жылға дейін Ресей Федерациясында наноиндустрияны дамыту бағдарламасы жасалып, ол 2008 жылдың ақпанында РФ Басшылығының қолдауына ие болды. Федералды мақсатты бағдарлама Ресей Федерациясындағы 2008-2010 жылдардағы наноиндустрияның инфрақұрылымының дамуы деп аталды. Екі бағдарлама да космостық салаға наноматериалдар мен нанотехнологияны енгізу жолдарын қарастырады. Сонымен қатар бұл мақсат Ресейдің 2006-2015 жылдарға арналған Федералды космостық бағдарламасы арқылы да жүзеге асуда.
Космостық сала дәстүрлі түрде көптеген ғылым салаларының ең жақсы ғылыми-техникалық жетістіктерін интеграциялайды: материалтану, электроника, биология, медицина және т.б. Космостық техниканы тасымалдаудың экстремалды эксплуотациялық шарттарын ескере отырып олардың негізінде бірегей қасиетке ие материалдар мен бұйымдар жасалады. Космостық технология сөз тіркесін бірегей техникалық және өндірістік бұйымдарды сипаттауда қолдану бекер емес. Осылайша, наноматериалдар мен наотехнологияны космостық технологияда пайдалану келешегін қарастыра отырып, назарға тек қана арнайы өңдеу жолдарын ғана алмай, космостық салада сұранысқа ие болатын, нанотехнология саласындағы жаңа ойлар мен жетістіктерді ескерген жөн.
Жоғарыда нанотехнологияның пәнаралық сипаты аталып кетті. Осыған орай, аталған саладағы жұмыстардың сәтті іске асуына себеп болатын маңызды мақсат, ол қажетті кешенді білімі және тәжірибелік қабілеті бар мамандарды дайындау. Бұл мақсатты іске асыру үшін 2007 жылдың аяғында Ресей Федерацясының білім беру жүйесіндегі нанотехнология саласында дамыту бағдарлама концепциясы жасалды. Бұл концепцияның іске асуында маңызды ролді В.А. Садовнич ректорның басқаруымен М.В. Ломоносов атындағы Мәскеу мемлекеттік университетінің оқытушылар және ғалымдар құрамы атқарды.
Мамандар дайындауда профессорлық-оқытушылық құрамы мен көптеген дисциплиналарымен, заманауи жетілген зерттеу базасымен ерекшеленетін ірі классикалық университеттерде нанотехнология саласындағы мамандарды дайындау үшін анағұрлым қолайлы жағдай жасауға болады. М.В. Ломоносов атындағы Мәскеу мемлекеттік университеті әлбетте бұл университеттердің қатарына кіреді.
Мәскеу мемлекеттік университетінде нанотехнология бойынша ғылыми орталық құрылды. Д.В. Скобельцын атындағы ядролы физика ғылыми-зерттеу институтының специалисттері және Физикалық факультеттің кафедраларының мұғалімдер құрамымен бұл орталыққа қарасты космостық техника наноматериалдарын зерттейтін зертхана құрылды. Зертхана қабырғасында сәйкес саланың жетекші мамандары дайындалып, космостық сала жұмысшылары дайындықтан өте алады.
Бұл оқыту құралы осы бағыт жолындағы білім беру жоспарын іске асыру үшін дайындалған. Әдістемелік құралда нанотехнологияның физикалық негіздері, наноматериалдардың маңызды түрлері, оларды алу және зерттеу жолдары, космостық ортада материалдардың тасымалдануы мен космостық техникаға қатысты шарттар, космостық техниканың дәстүрлі материалдарымен салыстырғанда наноматериалдардың артықшылықтары, белгілі бағдарламалар мен космостық техникаға наноматериалдарды енгізудің болашағы көрсетілген.
Бұл құрал жоғары оқу орындарының студенттері мен аспиранттарына арналған, және ғылым мен техниканың жаңа бағытына өндірістің жұмысшыларын дайындауда да пайдалынады.
Вирустардың өлшемдері нано- және микродиапазондар шекарасында жатады. Кейбір классификацияларда өлшемдері 0,1-1 мкм болатын шекті облыстарды өзіндік субмикронды диапазон ретінде қарастырады. Бактериялар мен эритроциттер нанометр бірліктерімен өлшенеді, ал тірі жасушалар өлшемдері 100 мкм және одан асады. Микронысандар тобына түскен көлденең өлшемді адамның шашы диаметрі бірнеше нанометр болатын көміртек нанотүтікшелерімен салыстарғанды айтарлықтай үлкен көрінеді.
Өлшемдер диапазоны
Нысандар
Өлшемі, бірліктер
Микро
10-1-103 мкм
Автоқалам дөңгелекшесі
Адамның шашы
Тірі жасушалар
Эритроциттер
Бактериялар
вирустар
Мкм
500-1000
50-100
1-100
5-8
0,5-10
0,02-0,3
Нано
1-100 нм
Микросхемалардың топологиялық элементтері
Ақуыздар(протеиндер)
УНТ көпқабатты
Кванттық нүктелер
Жасушалық мембрана
УНТ бірқабатты
ДНҚ спиралі:
Қадам
Диаметр
Нм
50-100
4-50
5-25
5-15
7-10
1-5
3,4
2,0
1 нм-ден кем
Қарапайым молекулалар мен атомдар
Фуллерен С60
N2
H2O
Fe
Si
Нм
0,71
0,34
0,28
0,25
0,24
Шаштың өсу жылдамдығы секундына 10 нм құрайды. Бізгі белгілі автоқалам дөңгелекшесінің диаметрі 0,7-0,8 мм болады.
Диаметрі 1 мм-ден көп болатын бөлшектер макронысаналарға жатқызылады. Макро- және микродиапазондарды бөлетін шекті өлшем жер шарына жақын космос кеңістігінде кездесетін метеорлы бөлшектер мен техногенді бөлшектерді классификациялағанда қолданылады.
Нанонысандардың классификациясын және олардың көршілес өлшемді дипазондарға қатысты нысаналар арасындағы орнын қарастыруды аяқтай отырып, өлшем нысаналар қасиетін сипаттайтын соңғы белгі емес екеніне көз жеткізуге болады. Нысаналардың өлшемі өзгерген кезде олардың құрамындағы элементтердің де саны өзгереді, яғни осы нысандардың қатысумен жүретін әр түрлі физикалық процесстер жүру уақытының сипаты мен күрделілігі де өзгереді.
1.6 сурет. Нысан сипаттамаларының
өзара байланысы
Осындай өзара байланыстар 1.6 суретте келтірілген. Бұл суретте нысана орналасуы гипотетикалық өлшем-уақыт-күрделілік деп аталатын үш өлшемді кеңістікте R радиус-вектормен сипатталған. Суреттелген кеңістік күрделілік дәрежесі брйынша атомдардан микронысандарға дейінгі құрылымдарды қамтиды, және өлшем диапазондары мен горизонтальді остьердегі уақыттарды анықтайды.
1.2. Өлшемдік эффекттердің наноматериалдар қасиеттеріне әсері
Балқу температурасы
Наноқұрылымданған материалдар қасиеттеріне дәндер өлшемдерінің әсер етуінің ең бір анық көрінісі - олардың балқу процесінің өзгеруі болып табылады.
Алдынғы бөлімдегі көріністер негізінде нанобөлшекті беттік қабат пен ішкі ядродан тұратын нысан ретінде қарастыратын боламыз. Қатты бөлшекте атомдар нығыздалып буылған, және олардың тепе-теңдік күйден ауытқуы өте аз болады. Қыздырған кезде атомдар бөлшектері қосымша энергия алады, соның нәтижесінде олардың тербеліс амплитудасы өседі. Балқу атом ығысуының орташа квадратты x2 белгілі бір мәніне жеткен кезде басталады деп есептеуге болады. Үстіңгі қабатта орналасқан атомдар белсенді түрде тербеледі, бұл олардың олардың жанында көп атом болмауының және олардың қозғалысы ядро атомдарымен салыстырғанда көп шектелмеуі себебінен. Сондықтан бірінші элемент үшін бөлшек-беттік қабат-балқу екінші элемент ядроға (Т2) қарағанда өте төмен температурада (Т1) басталуы керек. Бұл эффект 1.7-суретте көрсетілген, мұнда 1-қисық беттік қабатқа, 2-қисық ядроға сәйкес келеді.
1.7 сурет. Атомның беттік қабаты (1) және
нанобөлшек ядросы (2) үшін оның
температурасынан тәуелділігі x2
Мұндай қарапайым модель тәжірибелік түрде бақыланатын және күрделі модельдер шегінде расталатын наноматериалдың балқуының ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік береді. Белгілі бір температура диапазонында (1.7-суретте Т1 мен Т2 аралығында) нанобөлшек материалының бір уақытта сұйық және қатты күйде болатынын айтуға болады (ядро әлі балқымай тұрып, беттік қабатта балқу басталады).
Қарастырылған эффект нанобөлшектердің балқу температурасының олардың өлшеміне тәуелділігін тудырады. Ол 1.8-суретте көрсетілген. Бөлшектің өлшемінің кемуімен балқу температурасы жайлап төмендейді (1.1 кестеде көрсетілген 104 атомдар құрайтын диаметрі 10 нм болатын нанобөлшек үшін ол көлемді материалдың балқу температурасына жақындайды), кейін бірден төмендейді. 1.8 және 1.1б суреттерді салыстырып қарастырғанда, балқу температурасының мұндай өзгерісі бөлшек өлшемінен беттік атомдардың үлесіне тәуелділігімен жақсы түзейді. Осындай тәуелділік басқа да металдарға тән.
Жоғары амплитудамен тербеліс жасай алатын беттік қабаттың атомдары санын өскен сайын дәнектердің өлшемін 5-15 нм-ге дейін түсіргенде нанокристалдық материалдардың жылусыйымдылығының өсуі байқалады.
1.8 сурет. Au нанобөлшектерінің балқу
температурасының Тб олардың диаметрінен
d тәуелділігі
Механикалық қасиеттері
Материалдардың қолданылуы мен өңделуінің ерекшеліктерін анықтайтын маңызды механикалық сипаттамалары: беріктік - қосылған механикалық жүктемелерді бұзбай ұстап тұра алу қабілеті, серпімділік - жүктемелер әсерінен қайтымсыз деформациялану қабілеті, және қаттылық - оған қатты эталондық метариалды енгізген кезде материалдың қарсылығымен сипатталады.
Жалпы алғанда наноматериалдар қарапайым көлемдік материалдарға қарағанда жоғары механикалық сипаттамаларға ие болады. Бұл наноөлшемді дәнектердің бетінде болатын атомдар арасындағы өзара әрекеттесу күштерімен, осындай дәнектердегі құрылымдық дефекттердің аз мөлшерңмен, және жоғарыда айтылып өткен дислокациялар - өлшемдері тор парметрлерінен айтарлықтай жоғары болатын кристалдық құрылымның бұзылу облысы дислокацияларының таралуы үшін бөлім шекарасымен пайда болатын кедергілермен түсіндіріледі.
1.9 сурет. Материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен серпімділігі арасындағы сапалық байланыс (а) және әр түрлі болаттардың механикалық параметрлері арасындағы қатынас (б): 1- аса берік; 2- төмен көміртекті; 3- нанокристалды.
Наноқұрылымданған материалдардың ірі түйірлі материалдардан артықшылықтары материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен серпімділігі арасындағы қатынасын көрсететін 1.9а суретте көрсетілген.
Наноматериалдар үшін барлық параметрлердің жақсаруы байқалады. 1.9б сурет әр түрлі маркалардағы болат үлгілерінің механикалық параметрлері арасындағы сандық қатынасты көрсетеді. Бұл жерде абсцисса осі бойынша бұзылуға дейінгі үлгілердің салыстырмалы ұзару мәндері, ал ордината осі бойынша гипапаскаль (1 ГПа=109 Па, 1 Па=1Н*м-2) бойынша есептелетін беріктіктің шекті мәндері кейінге қалдырылады.
Түйір өлшемінің нанодиапазонға ауысуы кезіндегі қаттылық шамасының өсуі металлдар үшін 500-600%-ға дейін жетеді, ал морт сынғыш материалдар үшін, мысалы керамика үшін 200-300% болады. Қалыңдығы нанодипазонда жататын, яғни 2D-объекттен тұратын әр түрлі құрамдағы кезектесетін қабатшалардан тұратын кейбір көпқабатты материалдар өте жоғары қаттылыққа ие болады. Өте жоғары қаттылық көрші қабаттардың кристаллдық құрылымдарының сәйкес келмеуінің есебінен іске асады, яғни бұл қабаттар арасындағы дислокациялардың орын ауысуына жол бермейді. 1.10 суретте TiNNbN пленкаларынан тұратын көпқабатты құрылым қаттылығының көрсетілген екі пленка қалыңдығының қосындысына тең болатын құрылым периодынан тәуелділігі келтірілген. Бұл жерде қаттылық ГПа-мен берілген, бірақ бұл жағдайда қойылатын күш белгілі өлшемде болатын алмаз пирамида түріндегі индентор деп аталатын зерттелетін материалда қалдырылған таңбалық аумағына бөлінеді.
Алайда кейбір балқымалар үшін түйірлердің өлшемі өте аз (5-10 нм) болған кезде қаттылықтың төмендеуі байқалады. Бұл балқыма ішіндегі түйірлердің шекарасы бұзылуымен және оның наноқұрылымданған материалдан аморфты материалға айналуымен түсіндіріледі.
Наноқұрылымданған материалдардың басқа да механикалық қасиеттері құрылым элементтерінің орналасуы мен өзара бағдарлануына қатты тәуелді болып келеді. Бұл реттілік деп аталатын сипаттама мәліметтері 5-бөлімде келтірілген нанокомпозиттер үшін өте маңызды болып табылады.
Қорыта келгенде, әр түрлі жолдармен дайындалған әр түрлі құрамдағы наноматериалдардың механикалық қасиеттерін одан әрі қарай мұқият оқу қажеттілігі туындайды.
1.10 сурет. Көпқабатты құрылымның
оның периодынан l тәуелділігі
Химиялық қасиеттері
Өте аз өлшемдегі жеке нанобөлшектердің химиялық қасиеттеріне бөлшектердің химиялық реакцияға түсу қабілетіне тәуелді электрондық құрылымының ерекшеліктерімен байланысты квантоөлшемді эффекттер әсер етуі мүмкін. Мысалы, 10-30 атомдарды құрайтын кішкене металл кластерлері үшін газдық орталары бар кластерлердің реакция жылдамдығының монотонды емес кластердегі атом санынан тәуелділіктері алынды. Бұл кластерлердің электрондық құрылымының олардың реакциялық қабілеттілігіне әсерінің дәлелі болып табылады.
Ірі нанобөлшектер үшін реакциялық қабілеттілік беттік қабаттағы атомдардың санына тәуелді болады. Осыған байланысты негізгі жағдайда химиялық белсенді емес деп саналатын кейбір заттардың нанобөлшектері жоғары реакциялық қабілеттілік көрсетеді. Мысалы, Au-ның 3-5 нм өлшемді нанобөлшектері айқын каталитикалық белсенділік көрсетеді. Осындай мәліметтер Pt бөлшектері үшін де алынған.
Наноқұрылымданған материалдардың химиялық қасиеттері түйірлердің өлшемдері параметрінің заттың реакциялық қабілеттілігіне және оның көлеміндегі диффузия процесіне тәуелді. Наноматериаларың осы қасиеттеріне бағытты түрде әсер ете отырып, олардың коррозиялық тұрақтылығын жоғарылатуғ болады. Мысалы, диаметрі 30 нм болатын нанобөлшектерден тұратын наноқұрылымданған Fe73B13Si9 құймасы 200-400 С температурадағы тотығуға жоғары тұрақтылыққа ие болып табылады. Бұл фактты түйір шекараларында Si атомдарының пайда болып, одан әрі үлгінің беттік қабатына диффундирленіп, одан әрі тотығу процесіне қарсы тұратын SiO2 пленкасының пайда болуымен түсіндіріледі.
Нанобөлшекті көлемді материалға енгізе отырып, оның молекулалық оттегіге қарағанда белсенді тотықтырғыш болып табылатын атомдық оттегіге әсеріне тұрақтылығын жоғарылатуға болады. Металл нанобөлшектерін материалдың беттік беттік қабатына енгізу оттек атомдарының материалға терең енуіне қарсы тұратын өзіндік барьер түзе алатындығы тәжірибе жүзінде дәлелденген. Осындай нәтижелер космом саласындағы мамандардың қызығушылығын тудырады, себебі атомарлы оттегі төмен орбитальді космостық аппараттардың сыртқы материал қабатының бұзылуын тудыратын негізгі факторлардың бірі болып табылады. Бұл туралы 4-бөлімде кеңінен айтылатын болады.
Оптикалық қасиеттері
Нанотехнологияларды аңғармай қолданудың жиі келтірілетін тарихи мысалы ол қайнату кезінде наноөлшемді металл бөлшектерді енгізе отырып, әйнектерге ерекше оптикалық қасиеттер беру. Бұл технология ортағасырлық соборларда болған витраждарды жасаған шеберлерге белгілі болған. Осындай әйнектерге жарық түсірген кезде пайда болатын әр түрлі түсті эффекттер олардың кристаллдық торының күш өрісінде металл нанобөлшектерінің электрон өткізгіштігіндегі жоғары жиілікті тербелістің толқынмен қозған түскен сәулесі түсінігі негізінде түсіндіріледі. Қозатын тербелістердің жиілігі бөлшектердің өлшеміне байланысты - олар аз болған сайын, тербеліс жиілігі жоғары болады.
Сурет 1.11. Au бөлшегі өлшемінің шынының жұтылу спектріне әсері
1-20 нм; 2-80нм;
Бұдан бөлек, металдық нанобөлшектері бар мөлдір шынылы матрица тәріздес оптикалық орталар үшін сыну көрсенткішінің жарық қарқындылығынан сызықты емес тәуелділігі байқалады. Ол жарықтың осындай орталарда тарауына әсер етеді.
Оптикалық жұтылу спектрінің түрі мен жағдайның бөлшектердің өлшемдерінен тәуелділігі байқалады және жартылай өткізгішті нанобөлшектертер кішкене өлшемдерінде де 1.1 бөліміндегеі кванттық нүктелерде талқылану қасиетіне ие.
Квантты өлшемдік эффектілердің талдауы кезінде жартылай өткізгішті нанобөлшектертер үшін олардың пайда болуының сапа көрсеткіші ретінде бөлшек өлшемі мен радиус қатынасы - экситона жиі қолданылады. Экситона - жартылай өткізгіште түзілген, өзара электрон және тесіктертермен берік бекітілген өзіндік квазибөлшек. Оны сутек тәрізді өзіндік энергетикалық деңгейлері бар атом ретінде қарастыруға болады. Егер жартылай өткізгішті бөлшектердің өлшемін электрондар мен тесіктердің локализдену облысын сипаттайтын экситонның радиусымен салыстырсақ, маысалы, GaAS үшін шамамен 11 нм, онда бөлшектің оптикалық жұтылу спектрінде пиктер пайда болады.
Жалпы жартылай өткізгішті нанобөлшектердің оптикалық жұтылу спектрлерінің энергетикалық шкаладағы түрі мен орналасуы (1.12 сурет) бөлшектің өлшемі қысқарған сайын ұзаратын қоршалған аумақтың ұзындығынан тәуелді. Бөлшектің өлшемі қысқарған сайын спектр аз толқын ұзындығына сәйкес жоғары энергиялы фотон жағына қарай ығысады. 1.12 - суретте бөлшегі үшін көрсетілген. Қысқатолқынды облысындағы спектрлердің сондай жылжуы терең ығысу деп аталады.
Сурет 1.12. бөлшегінің әртүрлі өлшеміндегі оптикалық жұтылу спектрлері: 1-40нм; 2-20нм;
Жартылай өткізгішті бөлшектердің жарықты әртүрлі толқын ұзындығында шашырату және шағылдыру қабілетін кванттық нүктелер атқарады.
Қосымша мүмкіндігі оптикалық кванттық және электрондық құрылғыларды құрастыруда ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгішті торлы кристалдық құрылымдарды қолдануға мүмкіндік береді. Себебі бұл кристалдық құрылымдарда өткізгіштік қабілетіне байланысты өте үлкен периодта (10-50нм) наноқабықшалар орналасқан. Сондықтан кристаллдық құрылымда тордың болуы нақты тәртіптіліктің бар екенін білдіреді.
Периодтық наноөлшемді жартылайөткізгіштердің құрылымы 2 маңызды қасиетке ие. Біріншіден, оларда, ықтималды кедергіні электронмен меңгеру ықтималдылығын біршама жоғарлататын, жаңғырықты үңгіртау әсері байқалуы мүмкін. Ол ықтималды апанда орналасқан электронның қуат мәні көршілес ықтималды апанның энергетикалық деңгейінің бірімен сәйкес келгенде пайда болады. Ал екіншіден бұндай құрылымдардағы энергетикалық диаграммаларда кіші аймақтар пайда болады, оларда валентті аймақпен периодтты жоғары тордың шығысындағы жартылай өткізгішті кристаллдардың аймақты өткізгіштері жарықшаланады.
Жоғарғы тордың энергетикалық диаграммасының параметрлерін қолданыстағы жартылай өткізгішті қабықшалардың қалыңдығы мен құрамын өзгерте отырып түрлендіруге болады. Ықтималды апанның еңін азайтқанда кіші аймақтар арасындағы энергетикалық саңылаулар өседі, ал ықтималды апан еңінің азаюы кіші аймақтардың кеңеюін тудырады.
Жоғары торлардың жартылай өткізгіштің қасиеттерінің негізінде әртүрлі оптикалық құралдарды жасауға болады: фото қабылдағыштар, жарықдиодтары мен лазерлер, сонымен қатар инфрақызыл диапозонда жұмыс жасайтын құралдар.
Жоғарғы торлардың маңызды түрі фотонды кристалдар болып табылады, олардың құрылымында сыну коэффициенті кезеңмен өзгеріп тұрады. Бұндай өзгерістер жоғары торлар жарықтың толқын ұзындығының периодынан салыстырмалы, және ол бір, екі немесе үш өлшемдерінде байқалады. Фотонды кристалдарды сәйкесінше 1D, 2D және 3D болып ажыратылады.
Практикалық көзқарас жағынан фотонды кристаллдардың қасиеттері болып рұқсат етілген және рұқсат етілмеген кеңістік аймақтың белгіленген қуаттың болуы болып табылады, сонымен қатар бұл аймақтар кристал ішінде әртүрлі конфигурация мен бейімделуі әртүрлі болуы мүмкін. Кристалдарға ақауларды енгізу арқылы ерекше оптикалық қасиеттерге ие локальді аймақтарды жасауға болады. Фотонды кристалдар негізінде оптикалық фильтрлар, толқын арнасы, резонаторлар және линзаларды жатқызуға болатын кейбір бірегей оптикалық құрылғылар жасалынады. Фотонды кристалдарды қолдана отырып әртүрлы логикалық және есте қалатын құрылғыларды құрастыруға болады, бұл фотониканың базалық құрамы екенін көрсетеді - фотондардың ғылыми және қосымша есептерін шешетін генерация, тіркеу және басқару сияқты мәселелермен айналысатын физика мен техниканың аймағы. Фотониканың ең бір маңызды бөлігі оптоинформатика болып табылады, ол ақпаратты өңдеу және тарату фотонды технологиясын зерттейді. Бұл технологияларды қолдану логикалық элеметтердің тез жұмыс жасауына және олардың негізінде жасалынатын құрылғыларға ықпал етеді. Негізінен компьютерлер дәстүрлі электронды құрылғылармен салыстырғанда ақпаратты тасушы ретінде элетрлік қуатты қолданады.
Наноматериалдардың оптикалық қасиеттерін қарастыруды аяқтағанада кеуекті кремнийдіде (кәдімгі кремнийден химиялық уландыру арқылы алынатын, кремнийде 10 нм. диаметрлі қуыстың пайда болуынан алынады) ескерген жөн (PoSi). 1990 жылдары кеуекті кремний (1,5 - 1,6 эВ қуат фотонын таратуда) жеткілікті интенсивті фотолюминесценцияға ие екенін көрсетті, ал кәдімгі кремний өз кезегінде, рұқсат етілмеген Si аймағына жақын, 1,0 - 1,2 эВ қуат фотондарымен әлсіз люминесценді көрсетеді.
РоSi люминесценсияның ерекшеліктері бірнеше факторлардың жиынтығымен түсіндіріледі: әртүрлі беткі жағдайлар мен ақаулардың пайда болуымен, квантты нүктелердің пайда болуы және т.б. Люминесценсия РоSi сонымен қатар қосылған кернеу әсерімен (электролюминесценсия) немесе зарядталған бөлшекпен бомбалау (катодолюминесценсия), бұл оның негізінде әртүрлі түрлендіргіштер мен тарату қуаттарын жасауға мүмкіндік береді.
Жаңа элементті базаның құрылуында жоғарыда суреттелген фундаменталды физикалық принциптер КА перспективті комплекстердің аппаратураларға алғашқы деңгейлі мәнге ие.
Электрлік және магнитті қасиеттері
Материалдардың электр өткізгіштеріне тек қана классикалық емес, сонымен қоса бірсарынды квантты эффекттер әсер етеді. Өткізгіште ретсіз жылулық қимыл жасайтын электрондар еркін жүгіріс ұзындығы деп аталатын тербермелі тор иондармен, соғылыс алдында кейбір орташа аралықты өтіп, соқтығысады. Егерде өткізгішке әлеуеттілік түрлілілігі қосылса, онда электрондардың ретсіз қозғалысына олардың реттелген дрейфі (электрлік өрісте 10-3мс-1 жылдамдықпен) қосылады, ол жылу қозғалысының жылдамдығынан бірқатар төмен. Металлдардағы электрлік тоқтардың пайда болуында басты рөльді электронның дрейфті жылдамдығы атқармайды, оның жоғарғы концентрациясы атқарады (1028 - 1029 м-3).
Электрондардың бос жүгіріс ұзындығы әр түрлі металлдар үшін шамамен 10 -100 нм құрайды, бүл тұрақты кристалл торынан біршама көп. Дегенмен, егерде өткізгіштің өлшемдері жеткілікті үлкен болса (3D - нысан), онда байланыстар арасындағы жолда электрондар ион торларымен айтарлықтай соқтығысқа ұшырайды, оларға потенциалдың түрлілігі қосылған. Электрондардың бұндай қозғалыс тәртібі диффузионды деп аталады.
Егерде өткізгіштердің өлшемдері нанодиапазонда жатса, және электрондардың бос жүріс ұзындығы аз болса, онда барлық электрондар байланыс арасындағы аралықты соқтығыссыз өтіп кетеді. Бұндай жағдайда баллистикалық қозғалыс тәртібі іске асады.
Екі тәртіптеде электрондардың қозғалысына қосымша кедергілер беткі қабаттарындағы түйіршіктер арасындағы наноөткізгіштермен жасалынады, олардың көлемдік мазмұны түйіршіктер көлемінің азаюымен үлкейеді (1.2 суретті қара). Сәйкесінше наноматериалдардың салыстырмалы кедергісі ұлғаяды, бұл 1.13 суретте келтірілген түйіршік өлшемдерімен ажыратылатын, никельдің салыстырмалы кедергіге ρ тәуелді температурасымен дәлелденеді. Осы сияқты тәуелділіктер сонымен қатар наноқабықша үшін де жасалынған.
Түйіршік өлшемдерінің металл материалдарының жылу өткізгіштеріне әсерін ескере кетейік. Металлдар үшін электронның жылу өткізгіштігінің құрамдас бөлігі басым болып табылса, онда түйіршіктердің шегіндегі электрондардың қосымша таралуы, олардың өлшемдерінің азаюымен байланысты, жылу өткізгіштіктің төмендеуін тудырады. Мысалы, күміс үшін оның төмендегені, ірітүйіршікті құрылымнан 20 - 50 нм құрылымды түйіршікке 3 - 4 рет өткенде байқалды.
Сурет 1.13. Түйіршіктердің өлшемдері: 1 - 3*105; 2 - 55; 3 - 30; 4- 27; 5-22 болғандағы Ni үлгілеріне ρ (Т) тәуелділігі
Баллистикалық наноөткізгіштің өлшемдері де Бройльдің толқын ұзындығының өлшемімен салыстырылатындай болғанда, байланыс арасындағы зарядты тасу, 1.1 бөлімде қарастырылған, электронды қалыпты кванттауға әсер ете бастайды. Наноөткізгіш қимасының азаюымен оның өткізгіштігіндегі секіріп төмендеу орын алады, оның деңгейі наноөткізгіш өлшеміне байланысты болады. Теориялық түрде, өткізгіш кванты деп аталатын, өткізгіш қарғуының мимнималды көлемі 2е2һ (е - қарапайым заряд, һ - тұрақты Планка) құратыны көрсетіліген. Оған қарсы өлшемі квант кедергісі - һ2е2≈12,9 кОм деген атқа ие болды. Ескере кететін тағы бір жайт, ол кванттаудың өткізгіштік тәжірибесін температураның абсолютті нһлге жақын болғанда бақылауға болады, себебі бұл эффект электрондардың жылулық қозғалысымен шайылып кетеді.
Наноөлшемді құрылымдар арқылы өтетеін электрлік тоқтағы кваттаудың эффектісін қолдана отырып, наноэлектроника элементтерін жасауға болады. Олардың жұмыстары тек қана аз электрлік зарядтармен ғана басқарылады (тіпті бір зарядты электронмен де). Ал заманауи микроэлектроника элементтері өз кезегінде заряд өлшемі 105 - 106 электрондларын талап етеді.
Сурет 1.14. Квантты нүктемен құрылымның наноөлшегіш сұлбасы (а) және сатылы вольт - амперлік сипаттамасы (б)
1.14 а суретте кванттық нүкте (3) орналасқан, диэлектрлік ортамен бөлінген, металлды электродтың (1,2) наноөлшемді құрылымы суреттелген. Бұндай құрылымда электрлік тоқ электродтар мен квантты нүкте арасындағы потенциалды кедергілер арқылы өтуі мүмкін. Сурет 1.14 б оңайлатылып көрсетілген кернеудің U сатылы сипаттамысы, электродтар арасында өтетін, материал қасиеттері мен құрылым элементтерінің өлшемімен анықталатын, потенциалды кедергілердің нақты параметрлері. Вольт - амперлік сипаттамасының бұндай түрі кулондық блокада эффектісімен шартталған. Электронның квантты нүктесінен келесі электрондарға потенциалды кедергі арқылы өту, кулонды итеру арқылы мүмкін болмайды. UКБ кернеуі кезінде кулонды кедергіні өту қамтамасыз етіледі.
Кванттық нүктеге бір электронның қосылуы оның потенциалын бойынша өзгертеді. Есептеулер GaAs өлшемді кванттық нүктелердің 10 нм өлшемінің мәні . Мұндағы потенциалдар айырымы кезекті келесі электронның квантық нуктеге құлап кетуіне кедергі жасауына жеткілікті. Сондықтан, қарастырылған құрылым электрондарды бір-бірден босатуға қабілетті.
Бірэлектрондық туннельдеу жағдайын қамтамасыз ету үшін екі шарт орындалуы қажет:
oo Кванттық нүктелердің электростатикалық энергиясы ондағы бір электронның болуымен сандық түрде бөлшектердің жылулық энергиясын арттырады:
oo Потенциалдық барьердің туннельдік қарсыласуы кванттық қарсыласудан жоғары болады:
Материалдардың магниттік қасиеті элементтердің құрылымдық өлшемінен тәуелді. Егер затты магниттік өріске H кернеумен орналастырсақ, онда жалпы ішкі магниттік индукция бастапқы магниттік өріс индукциясынан айырымашылық жасайды. Оны намагниттік М дейді және оны келесі теңдеумен анықтайды:
мұндағы: магниттік тартқыштық, магниттік тұрақтылық.
Магнит индукциясының өзгеру дәрежесі салыстырмалы магнит өткізгіштікпен μ=ВВ0 сипатталады.
Fe, Co және Ni ферромагнетиктердің типтік өкілдері болып табылады, μ≫1 және χ1 болғанда оларда зат көлемінде магнит өрісінің айтарлықтай жоғарылауы байқалады. Мұны ферромагниктерде, домен деп аталынатын, белгілі облыстар шегінде жеке атомдардың магниттік моменті домендерге бастапқы магниттену қамтамасыз ету арқылы бір бағытқа бағдарланғандығымен түсіндіруге болады. Магнит өрісінің векторында жеке домендердің магниттенуі оның күш сызықтарына бағдарланады. Ол өрістің жоғарылауына алып келеді.
Гистерезис ілмегі (петля гистерезиса) сипатталынатын ферромагнитті материалдардың маңызды параметрлеріне: материалдың максималды магниттенуін сипаттайтын - қанығу индукциясы BS, сыртқы магнит өрісі алынғаннан кейінгі материалдардардың магниттену дәрежесін көрсететін - қалдық индукция Br, сыртқы магнит өрісінің кернеулігі кезінде қалдық индукция нөлге тең болатын - коэрцитивті күш НС. Жоғарыда айтылған барлық параметрлер ферромагнетиктер тұратын кристаллиттер өлшемінен тәуелді.
Сурет 1.15. коэрцитивті күштің НС кристаллит өлшемінен d тәуелдігі
1.15 суретте коэрцитивті күштің түрленген кристаллит өлшемдерінің мәндердің кең диапазонында өзгеруі көрсетілген. Көрсетілген тәуелділік анық монотондық емес сипатқа ие.
Кристаллит өлшемдерін 103мкмден субмикронды облыста жататын мәнге дейін төмендеткенде коэрцитивті күштің өсуі байқалады. Бұл өлшемдік диапазонда d мәні, магниттік вектордың бағытының өзгеруі жүретін шектен, домендік қабырғалардың (40-70 нм) енінен асып кетеді. Материалдардың қайта магниттелуі домен қабырғаларының қозғалуымен байланысты болғандықтан, олардың қозғалуы барысында энергияның жоғалуының ұлғаюына және қабырғалаырдың көлемдік құрылымының өсуіне байланысты кристаллиттердің өлшемдерінің азаюынан қайта магниттену қиындайды. НС максималды мәніне доменді қабырғалардың қалыңдығына сәйкес келетін d өлшемдеріне сәйкес келеді.
d мәні нанодиапазонның жоғары шекарасына жақындағанда және оның әрі қарай төмендеуінде ферромагнетиктің құрылымының көп домендіден бір домендіге ауысуы жүреді. Бұл өз кезегінде НС төмендеуіне алып келеді. Бір доменді құрылым жағдайында барлық атомдардың магниттік моменттері бірдей бағытталған және әрбір кристаллит жеке бір домен ретінде ұсынылады.
Түйірлердің (зерно) өлшемінің 1-10нм дейін төмендеуі материалды күшті парамагнитті күйге ауысуына алып келеді. Себебі көрсетілген түйірлердің өлшемінде олар өздерін, атомдардың магниттік моменті кездейсоқ жағдайда орналасқан зат, парамагнетиктегі атомдар сияқты ұстай бастайды. Осылайынша көрсетілген өлшемдегі түйірлер жоғарыда айтылған кванттық нүктелерге сияқты өзгеше үлкен квазиатомдар ретінде қарастырылады. Pt және Al, μ1 және χ0 типтік өкілі болып табылатын қарапайым парамагнетиктер үшін заттың ішінде магит өрісінің жоғарылауы байқалады, алайда ол өте аз. Суперпарамагнетиктер үшін гистерезистің өте тар ілмегінде әлдеқайда үлкен магниттілік қол жеткізіледі,сол себепті оларды іс жүзінде артық энергия шығынынсыз қайта магниттеуге мүмкіндік туады. Эксплуатационды параметрлердің кең ауқымда өзгеруі арқасында наноқұрылымданған магнитті материалдар әр түрлі наноқұрылғыларды құрастыру барысында қолданылуы мүмкін.
Нанотехнологияның физикалық негіздері
Мысалы, суперпарамагнетиктердің қызықты бір түрі ферромагнитті сұйықтықтар болып табылады, олар өз кезегінде коллоидты ерітінділер (сондай-ақ золь деп аталатын) - диаметрі 1-100 нм болатын жүзгін қатты бөлшектер (бұл жағдайда ферромагнетиктердің бөлшегі). Мұндай сұйықтықтыққа магнит өрісін қолданған кезде жекелеген бөлшектердің бастапқыда кездейсоқ түрде бағдарланған магниттік сәттері, өріс бойымен сап түзеді, ал өрісті шығару кезінде олар еркін бағдарланған түрге қайтып келеді және сұйықтық қайтадан магнитті емес күйге айналады, яғни ол суперпарамагнетиктік қасиеттерін танытады. Сұйықтықты магниттендірген кезде , оның ішінде қатты бөлшектердің өзіндік тізбегі қалытасады, ол сұйықтықтардың оптикалық және механикалық қасиеттеріне әсер етеді. Бөлшектердің концентрациясы мен өлшемдерін және де кернеулігі мен сыртқы магнит өрісінің бағытын қолдана отырып, ферромагнитті сұйықтықтар негізінде оптикалық ысырмалар, басқармалы дифракциялық торлар, герметиктер, демпферлеуіш құрылғылар және т. б. Жасап шығаруға болады. Магниттік наноқұрылымдар көмегімен практикалық тұрғыдан тағы бір өте маңызды құбылыс - алып магнетокедергілік жүзеге асырылуда. Магнетокедергілік деп магнит өрісі әсерінен өткізгіш кедергісінің өзгеру құбылысы аталады. Бұл құбылыс магнит өрісі әсерінен өткізгіштегі еркін электрондар траекториясының қисаюына байланысты, соның салдарынан олардың бағытталған дрейфы қиындай түседі. Әдеттегі металдар бөлме температурасында магнит өрісінің әсерінен кедергінің салыстырмалы өзгеруі әдетте 3−5% -дан аспайды. Алып магнетокедергілік бұндай өзгерістен шамамен 100 есе көп өлшеммен сипатталады. Бұл әсер қабатты наноқұрылымда жүзеге асырылады, олар өз кезегінде қайталанатын ферромагнетик және магниттік емес өткізгіштер үшін маңызы бар χ және μ мәндері өте аз болатын қабаттарынан тұрады. Қарапайым жағдайда бұл құбылысты төмендегі 1.16 суретте көрсетілгендей, ондағы (1) мен (3) ферромагнитті қабаттар (Co), ал (2) магниттік емеc қабат (Cu) болып табылатын үшқабатты ұяшықта жүзеге асырылуы мүмкін.
Сурет 1.16. Үшқабатты наноқұрылымда алып магнетокедергіліктің пайда болуы
Әрбір қабаттың қалыңдығы нанометр бірліктерімен өлшенеді. Алып магнетокедергіліктің негізінде электрондардың бағдарланған спиндері қабатының ферромагнетиктердің магниттелу бағытына қатысты шекараларын өту ықтималдылығының тәуелділігі жатыр. Егер спиннің бағдары ферромагниттік қабаттың ішіндегі магниттік өрістің бағытымен сәйкес келсе, онда электрон шекарадан едәуір оңай өтеді. Спиннің қарама-қарсы бағдарында электрондар үлкен ықтималдылықпен қабаттар бөлімінің шекарасында сейіледі. Демек, ферромагниттік қабаттар (1) мен (3) бір бағытта магниттелсе (сур. 1.16 а), онда осы бағытпен сәйкес келетін спин бағдары бар электрондар екі шекараны да оңай кесіп өтеді. Қарама-қарсы бағытталған спиндері бар электрондар екі шекарада да сейілуді күтеді. Егер ферромагниттік қабаттар (1) мен (3) қарама-қарсы бағытта магниттелсе (сур. 1.16 б), онда әрбір электрон спин бағдарына тәуелсіз қабаттар бөлімінің шекараларының бірінде ғана сейіледі. Осылайша, қарама-қарсы бағытталған спиндері бар электрондардан құрылатын ток үшін үшқабатты құрылымда көрсетілген электрлік кедергілік әртүрлі, сол себепті сурет 1.16 төменгі бөлімінде эквивалентті схемамен көрсетілген. Егер r R болса, онда эквивалентті схемадағы (а) және (б) жағдайы үшін толық кедергінің айырмашылығы аса жоғары және ұяшықтың өткізгіштік күйден жабық күйге ауысуы жайлы айтуға болады. Сондықтан кейде бұндай құрылымдарды спиндік клапан ( spin valve ) деп атайды.
Әдетте ұяшықтың өткізгіштік күйден өткізгіштік емес күйге және керісінше ауысуы электромагниттің көмегімен ферромагнитті қабаттың бірінде магниттелу векторының бағдарын өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Көп қабатты құрылымдарда әсер күшейеді, ол электрондардың магниттік емес өткізгіштің бойымен қозғалуы барысында да байқалуы мүмкін. Атап өткен жөн, бұндай ұқсас әсер нанобөлшектер жалғанған ферромагнетиктерден тұратын магниттік емес материалдарда да кездеседі. Мұнда ол сыртқы магнит өрісі әсерінен нанобөлшектердің шекарасында электрон өткізгіштіктің шашырау сипатының өзгеруіне байланысты. Магнит өрісінің әсері бөлшектердің мөлшерінің азаюымен және олардың концентрациясының көбеюімен күшейеді.
Сипатталған ұяшықтар өте кішкентай өлшемдер иеленуі мүмкін, соның негізінде үлкен көлемді есте сақтау құрылғыларын жасап шығаруға мүмкіндік туады. Осындай есте сақтау құрылғыларының үлгілері - магниттік жедел жады (MRAM, magnetoresistive random-access memory) - құрылды. Олардың артықшылығы энерготәуелсіздік жазылған ақпаратты қуат көзі болмаған жайдайда да сақтау қабілеті болып табылады. Сонымен қатар, магнитті ұяшықтың жадтары иондаушы сәуленің әсеріне сезімтал емес, бұл олардың ғарыш аппараттарындағы электрондық жабдықтарды өте тартымды түрде пайдалануға мүмкіндік береді. Мүмкін, осыған ұқсас құрылғыларды қолдану жекелеген зарядталған бөлшектердің ғарыштық сәулелену әсерінен туындайтын ғарыш аппараттарының борттық компьютерлердегі ақауларларын шешуге мүмкіндік берер. Толығырақ бұл мәселе 4-бөлімде қарастырылады.
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
ХХ-ХХІ ғасыр аралығында жаңа қарқынды дамушы ғылыми-техникалық бағыт қалыптасты, оны үш ұғыммен түсіндіруге болады: наноғылым, нанотехнология, наноиндустрия.
Наноғылым нанометрлі өлшемдердің бастапқы қасиеттерін және онымен байланысты құбылыстарды зерттейді. Нанообъекттерге түрлі конфигурациялы материалды объекттерді жатқызады: еш болмаса бір сызықты өлшемдері 1-100 нм, яғни 10-9-10-7 м болатын бөлшектер (дәндер), талшықтар, түтікшелер және пленкалар т.б. Кіші өлшемдер жағынан қарасақ бұл аралық әлбетте атом мен молекуланың өлшемдер ауданымен тұспалдас келеді, ал нанообъектті микрообъекттен бөліп тұратын ауданы, оның жоғарғы шегі, шартты түрде белгіленген. Жалпы алғанда оны зат қасиетін анықтайтын, қандай да болмасын сипаттамалық өлшем параметрлерімен байланыстыруға болмайды, мысалға, магниттік домендер, заряд тасымалдаушылардың еркін айналымының ұзындығымен немесе де Бройль толқын ұзындығымен, себебі әртүрлі заттар үшін бұл параметрлердің мәні айтарлықтай әркелкі болуы мүмкін.
Нанотехнология, бұл нанообъекттер жасау мәселесін шешеді, оларды конфигурацияларына байланысты наноқұрылымды элементтер немесе наноқұрылымдар, олардың негізінде жасалатын материалдарды, сәйкесінше, наноқұрылымды материалдар немесе жай ғана наноматериалдар, және құрамында наноматериалдар қолданылған заттар деп атайды. Нанотехнология терминін қолдана отырып көпше түрде бұл аумақтағы бағыттардың көптүрлілігін немесе нақты технология комплексін жеткізеді.
Наноиндустрия наноматериалдардың ауқымды өндірісін және олардың негізіндегі бұйымдардың адам тіршілігіндегі түрлі салалардағы қолданысын қамтамасыз ету керек.
Көріп отырғанымыздай, наноғылым, нанотехнология, наноиндустрия ұғымдары бір-бірімен тығыз байланысты. Сондықтан бұл ғылыми-техникалық бағытты қарастырғанда тек нанотехнология ұғымын жиі қолданады, оның мағынасында технологияның ғылыми негізі және өндірістік аспектілер жатыр. Бұл тұстан қарау өте орынды. Бірақ-та, шетел әдебиеттерінде nanoscience термині жиі қолданылады, сонда да, қаттырақ айтсақ, наноғылым жеке ғылым бағыты болып есептелмейді, ол физиканың, химияның, биологияның, математиканың және бірқатар техникалық және гуманитарлық ғылымдардың фундаментальді жағдайларынан және зерттеу әдістерінен құралады, бұл нанотехнологияның пәнаралық орнын анық көрсетеді.
Нанотехнологияны дәстүрлі жолмен қол жеткізе алмайтын, жаңа эксплуотациялық қасиетке ие материалдар мен олардың негізіндегі бұйымдар жасауға шақыратынын атап өткен маңызды. Бұл нанотехнология терминінің мағынасы 2004 жылдың қарашасында қабылданған сөйлемдердегі анықтамасында түсіндіріледі Ресей Федерациясындағы нанотехнология бағытындағы жұмыстардың 2010 ж дейінгі даму концепциялары: нанотехнология - өлшемі 100 нм-ге дейін болатын, жаңа қасиетке ие объекттерді бақылау арқылы жасауға және модификациялауға мүмкіндік беретін әдістер мен тәсілдердің жиыны.
Наноматериалдар айтарлықтай әртүрлі. Нанобөлшектердің кешені, яғни, наноұнтақ, мысалы катализатор ретінде жеке дара материал ретінде де қолданыла алады. Наноұнтақты біріктіру немесе пресстеу арқылы өте берік материалдар алуға болады. Қосымша ретінде наноұнтақтар көптеген композитті материалдар құрамына қосылып, оларға бірегей механикалық, жылулық немесе электрофизикалық сипаттамалар береді.
Неліктен наноматериалдар осындай бірегей қасиеттерге ие болады? Бұл сұраққа қысқаша түрде келесідей жауап беруге болады: біріншіден, микро- күйден нанообъектке өткенде бетте орналасқан атомдар санының көлемдегі атом санына қатынасы артады, нәтижесінде беттік әрекеттесу күштерінің және бөліну шекарасының зат қасиетіне әсері күшейеді. Екіншіден, бөлшектер өлшемінің кішіреюімен кванттық эффектілер дәрежесі арта бастайды. Бірінші фактордың маңызы, мысалға, бірегей механикалық қасиеті бар наноматериалды алуда анықтаушы болады, ал екінші фактор - наноэлектроника элементтерін жасауда маңызды орын алады.
Осылайша, наноқұрылымды зат оның көлемдік күйіндегі көрсететін физика-химиялық қасиеттерінен жақсы, жаңа қасиетке ие деп белгілеуге болады. Бұл, көбіне наноқұрылым деп аталатын, жаңа сапалық күйге көшу көптеген заттар үшін құрылымдық элементтер өлшемінде 100 нм-ден аз шамасында басталады.
Нанотехнологияның белгілі микро- және макротехнологиядан тағы бір маңызды ерекшелігі төменнен-жоғары принципіне қол жеткізуге болатындығында, бұл принцип жеке атом мен молекулаларды жинастыру арқылы талап етілетін құрылымға қол жеткізетін болжам тудырады. Бұл ретте маңызды орынды тірі жүйелерде өтетін секілді, атомаралық және молекулааралық әрекеттесулердің нәтижесінде болатын өздік ұйымдасу және өздік жинақтау процесстері алады. Белгіленген, кейде жоғары көтерілуші немесе өрлеуші деген атауға ие болған принцип, материалдарды механикалық өңдеуден, химиялық әсерлер мен ұсақтау нәтижесінде болатын, дәстүрлі технологиялық жоғарыдан-төмен (төмен түсетін) принципінен әлдеқайда ерекшеленеді.
Ең алғаш жеке атомдарды керек реттілікпен құру жолымен талап етілетін қасиетке ие заттарды алу идеясын Нобель лауреаты Р. Фейнман 1959 жылдың желтоқсанындағы Американдық физикалық қоғамның жиынында оқылған There is plenty room in the botoom, әдетте орысша аудармасы Там внизу еще очень много места деп аталатын дәрісінде атап өткен. Бұл идея американдық ғалым Э. ДРекслермен ары қарай дамытылды, ол 1986 жылы Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии атты кітабында жеке атомдар мен молекулаларды жинастыру жолымен түрлі механизмдердің мүмкіншілігін жариялады. Айта кеткен жөн, нанотехнология термині анық түрде 1974 жылы жапондық ғалым Н. Танигучидің еңбектерінде қолданыла бастады, бірақ ол кездегі терминнің қолданылу аясы басқа еді, яғни термин материалдарды нанометрдің ондық үлесіне дейін өңдеуін білдірді (атом немесе жай молекула өлшеміне дейін).
Бірақ ұзақ уақыт арасында нанотехнологиялық идеялар тәжірибелік қолданысқа ие бола алмады, ол ең алдымен техникалық базаның жеткіліксіздігінен болды. Терминнің орнықты болуында сапалық серпілісіне 1981 жылы сканирлеуші туннельді микроскоптың, ал 1986 ж - атомды микроскоптың ойлап табылуы үлкен септігін тигізді. Екі аспаптың да жұмыс істеу принципі жүзінің радиусы ~10 нм болатын жіңішке зондты зерттелетін нысанға шамамен 1 нм қашықтыққа жоғары дәлдікпен жақындатып қолдануына негізделген. Беттің рельефі жайлы ақпаратты жеткізуді электрлік ток атқарады, бірінші жағдайда ол зонд пен оның астында орналасқан беттің ауданының арасында квантмеханикалық эффект - потенциалды барьер арқылы электрондардың туннельденуі есебінен пайда болады, екінші жағдайда - зондтың беттің атомдарымен әрекеттесу күшінен пайда болады. Екі микроскоптың да шамасы нанометрдің ондық үлесіне дейін шешуге жетеді, ол жеке атомдарды идентификациялауға және олардың беттегі орнын жоғары дәлдікпен анықтауға мүмкіндік береді.
Есте қаларлық жағдай, зондты микроскоптарды ойлап табу және олардың кейініректегі жетілген түрлерін жасау зат құрылысын зерттеудің мүмкіншіліктерін ғана арттырып қойған жоқ, сонымен қатар зерттеушілерді жеке атомдарды игеру идеялары жолында жаңа технологиялық әдістермен қаруландырды. Әдетте бұл идеялардың тәжірибелік орындалуының жарқын көрінісі ретінде ІВМ компаниясының қызметкерлерімен 1990 ж. жасалған тәжірибесі алынады, ол тәжірибеде никельдің монокристалының бетіне өз компанияларының атын 35 ксенон атомын сканирлеуші туннельді микроскоп көмегімен араластырып жасады. Атомдардың араласуы зондқа берілген белгілі кернеу шамасында зонд ұшына электростатикалық тартылысының нәтижесінде жүрді.
Жаңа тәжірибелік жүйенің қалыптасуына нанотехнология саласындағы зерттеулер елеулі үлесін қосты. 1990 жылдардың басынан бұл тақырыпқа байланысты наноматериалдардың қасиеттері, оларды алу және қолдану әдістері жайында ғылыми басылымдардың саны күн санап артуда. Адам тіршілігінің түрлі саласына наноматериалдарды енгізудің болашағының ауқымдығы соншалық, көптеген зерттеушілер бұл құбылысты жаңа ғылыми-техникалық революция деп атауға келтіріп отыр.
Нанотехнологияның жылдам дамуына және өткізілетін жұмыстардың координациясы үшін көптеген өндірістік дамыған елдерде арнайы бағдарламалар белгіленген, ол зерттеулердің келешекті бағыттарын және қолданбалы өңдеулерін, алынған нәтижелерді қолдану аясын, жұмыстың орындалу уақытын және негізгі қаржыландыру принциптерін анықтайды.
2000 ж АҚШ-да Ұлттық нанотехнологиялық инициатива деп аталатын ұзақ мерзімді бағдарлама қабылданды, бұл бағдарламаға сәйкес, ғылым мен техниканың жоғары ретті дамуына жатқызылған, нанотехнология аясындағы зерттеулер материалдар өндірісіндегі түбегейлі өзгерістерге алып келуі тиіс, атап өтер болсақ, электроникада, космонавтикада, биология және медицинада, энергетикада, қоршаған ортаны қорғау және т.б. Осыған ұқсас бағдарламалар сонымен қатар Жапонияда, Қытайда, Оңтүстік Кореяда, көптеген еуропалық елдерде қабылданған.
Ресейде 2007 ж наноиндустрияның дамуының негізгі мақсаттарын және оның шешімі мен күтілетін нәтижелерін анық анықтайтын Наноиндустрияның дамуының стратегиясы деп аталатын президенттік жоспар жарияланды. Бұл құжатта әлем нанотехнология саласындағы ғылымның ашылулары және тәжірибелік қолданысының жетістіктерінің дамыған жаңа жолына түсуде және Ресей әлемдік рынокқа сәйкес қалыптасқан инновациялық проекттер және ашылулардың іске асуы мен жетілуінде маңызды орынды алу керек деп белгіленген. Ал нанотехнологиялық енгізулермен байланысты болашақ жетістіктердің қатарындағы жаңа басқару жүйелері, жеңіл және берік конструкциялық материалдар барлық түрдегі ұшқыш аппараттардың, бірінші кезекте самолеттер мен космостық кемелердің бағасын және сенімділігін айтарлықтай арттырады деп көрсетіледі.
Президенттік жоспарды іске асыру үшін 2015 жылға дейін Ресей Федерациясында наноиндустрияны дамыту бағдарламасы жасалып, ол 2008 жылдың ақпанында РФ Басшылығының қолдауына ие болды. Федералды мақсатты бағдарлама Ресей Федерациясындағы 2008-2010 жылдардағы наноиндустрияның инфрақұрылымының дамуы деп аталды. Екі бағдарлама да космостық салаға наноматериалдар мен нанотехнологияны енгізу жолдарын қарастырады. Сонымен қатар бұл мақсат Ресейдің 2006-2015 жылдарға арналған Федералды космостық бағдарламасы арқылы да жүзеге асуда.
Космостық сала дәстүрлі түрде көптеген ғылым салаларының ең жақсы ғылыми-техникалық жетістіктерін интеграциялайды: материалтану, электроника, биология, медицина және т.б. Космостық техниканы тасымалдаудың экстремалды эксплуотациялық шарттарын ескере отырып олардың негізінде бірегей қасиетке ие материалдар мен бұйымдар жасалады. Космостық технология сөз тіркесін бірегей техникалық және өндірістік бұйымдарды сипаттауда қолдану бекер емес. Осылайша, наноматериалдар мен наотехнологияны космостық технологияда пайдалану келешегін қарастыра отырып, назарға тек қана арнайы өңдеу жолдарын ғана алмай, космостық салада сұранысқа ие болатын, нанотехнология саласындағы жаңа ойлар мен жетістіктерді ескерген жөн.
Жоғарыда нанотехнологияның пәнаралық сипаты аталып кетті. Осыған орай, аталған саладағы жұмыстардың сәтті іске асуына себеп болатын маңызды мақсат, ол қажетті кешенді білімі және тәжірибелік қабілеті бар мамандарды дайындау. Бұл мақсатты іске асыру үшін 2007 жылдың аяғында Ресей Федерацясының білім беру жүйесіндегі нанотехнология саласында дамыту бағдарлама концепциясы жасалды. Бұл концепцияның іске асуында маңызды ролді В.А. Садовнич ректорның басқаруымен М.В. Ломоносов атындағы Мәскеу мемлекеттік университетінің оқытушылар және ғалымдар құрамы атқарды.
Мамандар дайындауда профессорлық-оқытушылық құрамы мен көптеген дисциплиналарымен, заманауи жетілген зерттеу базасымен ерекшеленетін ірі классикалық университеттерде нанотехнология саласындағы мамандарды дайындау үшін анағұрлым қолайлы жағдай жасауға болады. М.В. Ломоносов атындағы Мәскеу мемлекеттік университеті әлбетте бұл университеттердің қатарына кіреді.
Мәскеу мемлекеттік университетінде нанотехнология бойынша ғылыми орталық құрылды. Д.В. Скобельцын атындағы ядролы физика ғылыми-зерттеу институтының специалисттері және Физикалық факультеттің кафедраларының мұғалімдер құрамымен бұл орталыққа қарасты космостық техника наноматериалдарын зерттейтін зертхана құрылды. Зертхана қабырғасында сәйкес саланың жетекші мамандары дайындалып, космостық сала жұмысшылары дайындықтан өте алады.
Бұл оқыту құралы осы бағыт жолындағы білім беру жоспарын іске асыру үшін дайындалған. Әдістемелік құралда нанотехнологияның физикалық негіздері, наноматериалдардың маңызды түрлері, оларды алу және зерттеу жолдары, космостық ортада материалдардың тасымалдануы мен космостық техникаға қатысты шарттар, космостық техниканың дәстүрлі материалдарымен салыстырғанда наноматериалдардың артықшылықтары, белгілі бағдарламалар мен космостық техникаға наноматериалдарды енгізудің болашағы көрсетілген.
Бұл құрал жоғары оқу орындарының студенттері мен аспиранттарына арналған, және ғылым мен техниканың жаңа бағытына өндірістің жұмысшыларын дайындауда да пайдалынады.
Вирустардың өлшемдері нано- және микродиапазондар шекарасында жатады. Кейбір классификацияларда өлшемдері 0,1-1 мкм болатын шекті облыстарды өзіндік субмикронды диапазон ретінде қарастырады. Бактериялар мен эритроциттер нанометр бірліктерімен өлшенеді, ал тірі жасушалар өлшемдері 100 мкм және одан асады. Микронысандар тобына түскен көлденең өлшемді адамның шашы диаметрі бірнеше нанометр болатын көміртек нанотүтікшелерімен салыстарғанды айтарлықтай үлкен көрінеді.
Өлшемдер диапазоны
Нысандар
Өлшемі, бірліктер
Микро
10-1-103 мкм
Автоқалам дөңгелекшесі
Адамның шашы
Тірі жасушалар
Эритроциттер
Бактериялар
вирустар
Мкм
500-1000
50-100
1-100
5-8
0,5-10
0,02-0,3
Нано
1-100 нм
Микросхемалардың топологиялық элементтері
Ақуыздар(протеиндер)
УНТ көпқабатты
Кванттық нүктелер
Жасушалық мембрана
УНТ бірқабатты
ДНҚ спиралі:
Қадам
Диаметр
Нм
50-100
4-50
5-25
5-15
7-10
1-5
3,4
2,0
1 нм-ден кем
Қарапайым молекулалар мен атомдар
Фуллерен С60
N2
H2O
Fe
Si
Нм
0,71
0,34
0,28
0,25
0,24
Шаштың өсу жылдамдығы секундына 10 нм құрайды. Бізгі белгілі автоқалам дөңгелекшесінің диаметрі 0,7-0,8 мм болады.
Диаметрі 1 мм-ден көп болатын бөлшектер макронысаналарға жатқызылады. Макро- және микродиапазондарды бөлетін шекті өлшем жер шарына жақын космос кеңістігінде кездесетін метеорлы бөлшектер мен техногенді бөлшектерді классификациялағанда қолданылады.
Нанонысандардың классификациясын және олардың көршілес өлшемді дипазондарға қатысты нысаналар арасындағы орнын қарастыруды аяқтай отырып, өлшем нысаналар қасиетін сипаттайтын соңғы белгі емес екеніне көз жеткізуге болады. Нысаналардың өлшемі өзгерген кезде олардың құрамындағы элементтердің де саны өзгереді, яғни осы нысандардың қатысумен жүретін әр түрлі физикалық процесстер жүру уақытының сипаты мен күрделілігі де өзгереді.
1.6 сурет. Нысан сипаттамаларының
өзара байланысы
Осындай өзара байланыстар 1.6 суретте келтірілген. Бұл суретте нысана орналасуы гипотетикалық өлшем-уақыт-күрделілік деп аталатын үш өлшемді кеңістікте R радиус-вектормен сипатталған. Суреттелген кеңістік күрделілік дәрежесі брйынша атомдардан микронысандарға дейінгі құрылымдарды қамтиды, және өлшем диапазондары мен горизонтальді остьердегі уақыттарды анықтайды.
1.2. Өлшемдік эффекттердің наноматериалдар қасиеттеріне әсері
Балқу температурасы
Наноқұрылымданған материалдар қасиеттеріне дәндер өлшемдерінің әсер етуінің ең бір анық көрінісі - олардың балқу процесінің өзгеруі болып табылады.
Алдынғы бөлімдегі көріністер негізінде нанобөлшекті беттік қабат пен ішкі ядродан тұратын нысан ретінде қарастыратын боламыз. Қатты бөлшекте атомдар нығыздалып буылған, және олардың тепе-теңдік күйден ауытқуы өте аз болады. Қыздырған кезде атомдар бөлшектері қосымша энергия алады, соның нәтижесінде олардың тербеліс амплитудасы өседі. Балқу атом ығысуының орташа квадратты x2 белгілі бір мәніне жеткен кезде басталады деп есептеуге болады. Үстіңгі қабатта орналасқан атомдар белсенді түрде тербеледі, бұл олардың олардың жанында көп атом болмауының және олардың қозғалысы ядро атомдарымен салыстырғанда көп шектелмеуі себебінен. Сондықтан бірінші элемент үшін бөлшек-беттік қабат-балқу екінші элемент ядроға (Т2) қарағанда өте төмен температурада (Т1) басталуы керек. Бұл эффект 1.7-суретте көрсетілген, мұнда 1-қисық беттік қабатқа, 2-қисық ядроға сәйкес келеді.
1.7 сурет. Атомның беттік қабаты (1) және
нанобөлшек ядросы (2) үшін оның
температурасынан тәуелділігі x2
Мұндай қарапайым модель тәжірибелік түрде бақыланатын және күрделі модельдер шегінде расталатын наноматериалдың балқуының ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік береді. Белгілі бір температура диапазонында (1.7-суретте Т1 мен Т2 аралығында) нанобөлшек материалының бір уақытта сұйық және қатты күйде болатынын айтуға болады (ядро әлі балқымай тұрып, беттік қабатта балқу басталады).
Қарастырылған эффект нанобөлшектердің балқу температурасының олардың өлшеміне тәуелділігін тудырады. Ол 1.8-суретте көрсетілген. Бөлшектің өлшемінің кемуімен балқу температурасы жайлап төмендейді (1.1 кестеде көрсетілген 104 атомдар құрайтын диаметрі 10 нм болатын нанобөлшек үшін ол көлемді материалдың балқу температурасына жақындайды), кейін бірден төмендейді. 1.8 және 1.1б суреттерді салыстырып қарастырғанда, балқу температурасының мұндай өзгерісі бөлшек өлшемінен беттік атомдардың үлесіне тәуелділігімен жақсы түзейді. Осындай тәуелділік басқа да металдарға тән.
Жоғары амплитудамен тербеліс жасай алатын беттік қабаттың атомдары санын өскен сайын дәнектердің өлшемін 5-15 нм-ге дейін түсіргенде нанокристалдық материалдардың жылусыйымдылығының өсуі байқалады.
1.8 сурет. Au нанобөлшектерінің балқу
температурасының Тб олардың диаметрінен
d тәуелділігі
Механикалық қасиеттері
Материалдардың қолданылуы мен өңделуінің ерекшеліктерін анықтайтын маңызды механикалық сипаттамалары: беріктік - қосылған механикалық жүктемелерді бұзбай ұстап тұра алу қабілеті, серпімділік - жүктемелер әсерінен қайтымсыз деформациялану қабілеті, және қаттылық - оған қатты эталондық метариалды енгізген кезде материалдың қарсылығымен сипатталады.
Жалпы алғанда наноматериалдар қарапайым көлемдік материалдарға қарағанда жоғары механикалық сипаттамаларға ие болады. Бұл наноөлшемді дәнектердің бетінде болатын атомдар арасындағы өзара әрекеттесу күштерімен, осындай дәнектердегі құрылымдық дефекттердің аз мөлшерңмен, және жоғарыда айтылып өткен дислокациялар - өлшемдері тор парметрлерінен айтарлықтай жоғары болатын кристалдық құрылымның бұзылу облысы дислокацияларының таралуы үшін бөлім шекарасымен пайда болатын кедергілермен түсіндіріледі.
1.9 сурет. Материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен серпімділігі арасындағы сапалық байланыс (а) және әр түрлі болаттардың механикалық параметрлері арасындағы қатынас (б): 1- аса берік; 2- төмен көміртекті; 3- нанокристалды.
Наноқұрылымданған материалдардың ірі түйірлі материалдардан артықшылықтары материалдардың беріктігі (қаттылығы) мен серпімділігі арасындағы қатынасын көрсететін 1.9а суретте көрсетілген.
Наноматериалдар үшін барлық параметрлердің жақсаруы байқалады. 1.9б сурет әр түрлі маркалардағы болат үлгілерінің механикалық параметрлері арасындағы сандық қатынасты көрсетеді. Бұл жерде абсцисса осі бойынша бұзылуға дейінгі үлгілердің салыстырмалы ұзару мәндері, ал ордината осі бойынша гипапаскаль (1 ГПа=109 Па, 1 Па=1Н*м-2) бойынша есептелетін беріктіктің шекті мәндері кейінге қалдырылады.
Түйір өлшемінің нанодиапазонға ауысуы кезіндегі қаттылық шамасының өсуі металлдар үшін 500-600%-ға дейін жетеді, ал морт сынғыш материалдар үшін, мысалы керамика үшін 200-300% болады. Қалыңдығы нанодипазонда жататын, яғни 2D-объекттен тұратын әр түрлі құрамдағы кезектесетін қабатшалардан тұратын кейбір көпқабатты материалдар өте жоғары қаттылыққа ие болады. Өте жоғары қаттылық көрші қабаттардың кристаллдық құрылымдарының сәйкес келмеуінің есебінен іске асады, яғни бұл қабаттар арасындағы дислокациялардың орын ауысуына жол бермейді. 1.10 суретте TiNNbN пленкаларынан тұратын көпқабатты құрылым қаттылығының көрсетілген екі пленка қалыңдығының қосындысына тең болатын құрылым периодынан тәуелділігі келтірілген. Бұл жерде қаттылық ГПа-мен берілген, бірақ бұл жағдайда қойылатын күш белгілі өлшемде болатын алмаз пирамида түріндегі индентор деп аталатын зерттелетін материалда қалдырылған таңбалық аумағына бөлінеді.
Алайда кейбір балқымалар үшін түйірлердің өлшемі өте аз (5-10 нм) болған кезде қаттылықтың төмендеуі байқалады. Бұл балқыма ішіндегі түйірлердің шекарасы бұзылуымен және оның наноқұрылымданған материалдан аморфты материалға айналуымен түсіндіріледі.
Наноқұрылымданған материалдардың басқа да механикалық қасиеттері құрылым элементтерінің орналасуы мен өзара бағдарлануына қатты тәуелді болып келеді. Бұл реттілік деп аталатын сипаттама мәліметтері 5-бөлімде келтірілген нанокомпозиттер үшін өте маңызды болып табылады.
Қорыта келгенде, әр түрлі жолдармен дайындалған әр түрлі құрамдағы наноматериалдардың механикалық қасиеттерін одан әрі қарай мұқият оқу қажеттілігі туындайды.
1.10 сурет. Көпқабатты құрылымның
оның периодынан l тәуелділігі
Химиялық қасиеттері
Өте аз өлшемдегі жеке нанобөлшектердің химиялық қасиеттеріне бөлшектердің химиялық реакцияға түсу қабілетіне тәуелді электрондық құрылымының ерекшеліктерімен байланысты квантоөлшемді эффекттер әсер етуі мүмкін. Мысалы, 10-30 атомдарды құрайтын кішкене металл кластерлері үшін газдық орталары бар кластерлердің реакция жылдамдығының монотонды емес кластердегі атом санынан тәуелділіктері алынды. Бұл кластерлердің электрондық құрылымының олардың реакциялық қабілеттілігіне әсерінің дәлелі болып табылады.
Ірі нанобөлшектер үшін реакциялық қабілеттілік беттік қабаттағы атомдардың санына тәуелді болады. Осыған байланысты негізгі жағдайда химиялық белсенді емес деп саналатын кейбір заттардың нанобөлшектері жоғары реакциялық қабілеттілік көрсетеді. Мысалы, Au-ның 3-5 нм өлшемді нанобөлшектері айқын каталитикалық белсенділік көрсетеді. Осындай мәліметтер Pt бөлшектері үшін де алынған.
Наноқұрылымданған материалдардың химиялық қасиеттері түйірлердің өлшемдері параметрінің заттың реакциялық қабілеттілігіне және оның көлеміндегі диффузия процесіне тәуелді. Наноматериаларың осы қасиеттеріне бағытты түрде әсер ете отырып, олардың коррозиялық тұрақтылығын жоғарылатуғ болады. Мысалы, диаметрі 30 нм болатын нанобөлшектерден тұратын наноқұрылымданған Fe73B13Si9 құймасы 200-400 С температурадағы тотығуға жоғары тұрақтылыққа ие болып табылады. Бұл фактты түйір шекараларында Si атомдарының пайда болып, одан әрі үлгінің беттік қабатына диффундирленіп, одан әрі тотығу процесіне қарсы тұратын SiO2 пленкасының пайда болуымен түсіндіріледі.
Нанобөлшекті көлемді материалға енгізе отырып, оның молекулалық оттегіге қарағанда белсенді тотықтырғыш болып табылатын атомдық оттегіге әсеріне тұрақтылығын жоғарылатуға болады. Металл нанобөлшектерін материалдың беттік беттік қабатына енгізу оттек атомдарының материалға терең енуіне қарсы тұратын өзіндік барьер түзе алатындығы тәжірибе жүзінде дәлелденген. Осындай нәтижелер космом саласындағы мамандардың қызығушылығын тудырады, себебі атомарлы оттегі төмен орбитальді космостық аппараттардың сыртқы материал қабатының бұзылуын тудыратын негізгі факторлардың бірі болып табылады. Бұл туралы 4-бөлімде кеңінен айтылатын болады.
Оптикалық қасиеттері
Нанотехнологияларды аңғармай қолданудың жиі келтірілетін тарихи мысалы ол қайнату кезінде наноөлшемді металл бөлшектерді енгізе отырып, әйнектерге ерекше оптикалық қасиеттер беру. Бұл технология ортағасырлық соборларда болған витраждарды жасаған шеберлерге белгілі болған. Осындай әйнектерге жарық түсірген кезде пайда болатын әр түрлі түсті эффекттер олардың кристаллдық торының күш өрісінде металл нанобөлшектерінің электрон өткізгіштігіндегі жоғары жиілікті тербелістің толқынмен қозған түскен сәулесі түсінігі негізінде түсіндіріледі. Қозатын тербелістердің жиілігі бөлшектердің өлшеміне байланысты - олар аз болған сайын, тербеліс жиілігі жоғары болады.
Сурет 1.11. Au бөлшегі өлшемінің шынының жұтылу спектріне әсері
1-20 нм; 2-80нм;
Бұдан бөлек, металдық нанобөлшектері бар мөлдір шынылы матрица тәріздес оптикалық орталар үшін сыну көрсенткішінің жарық қарқындылығынан сызықты емес тәуелділігі байқалады. Ол жарықтың осындай орталарда тарауына әсер етеді.
Оптикалық жұтылу спектрінің түрі мен жағдайның бөлшектердің өлшемдерінен тәуелділігі байқалады және жартылай өткізгішті нанобөлшектертер кішкене өлшемдерінде де 1.1 бөліміндегеі кванттық нүктелерде талқылану қасиетіне ие.
Квантты өлшемдік эффектілердің талдауы кезінде жартылай өткізгішті нанобөлшектертер үшін олардың пайда болуының сапа көрсеткіші ретінде бөлшек өлшемі мен радиус қатынасы - экситона жиі қолданылады. Экситона - жартылай өткізгіште түзілген, өзара электрон және тесіктертермен берік бекітілген өзіндік квазибөлшек. Оны сутек тәрізді өзіндік энергетикалық деңгейлері бар атом ретінде қарастыруға болады. Егер жартылай өткізгішті бөлшектердің өлшемін электрондар мен тесіктердің локализдену облысын сипаттайтын экситонның радиусымен салыстырсақ, маысалы, GaAS үшін шамамен 11 нм, онда бөлшектің оптикалық жұтылу спектрінде пиктер пайда болады.
Жалпы жартылай өткізгішті нанобөлшектердің оптикалық жұтылу спектрлерінің энергетикалық шкаладағы түрі мен орналасуы (1.12 сурет) бөлшектің өлшемі қысқарған сайын ұзаратын қоршалған аумақтың ұзындығынан тәуелді. Бөлшектің өлшемі қысқарған сайын спектр аз толқын ұзындығына сәйкес жоғары энергиялы фотон жағына қарай ығысады. 1.12 - суретте бөлшегі үшін көрсетілген. Қысқатолқынды облысындағы спектрлердің сондай жылжуы терең ығысу деп аталады.
Сурет 1.12. бөлшегінің әртүрлі өлшеміндегі оптикалық жұтылу спектрлері: 1-40нм; 2-20нм;
Жартылай өткізгішті бөлшектердің жарықты әртүрлі толқын ұзындығында шашырату және шағылдыру қабілетін кванттық нүктелер атқарады.
Қосымша мүмкіндігі оптикалық кванттық және электрондық құрылғыларды құрастыруда ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгішті торлы кристалдық құрылымдарды қолдануға мүмкіндік береді. Себебі бұл кристалдық құрылымдарда өткізгіштік қабілетіне байланысты өте үлкен периодта (10-50нм) наноқабықшалар орналасқан. Сондықтан кристаллдық құрылымда тордың болуы нақты тәртіптіліктің бар екенін білдіреді.
Периодтық наноөлшемді жартылайөткізгіштердің құрылымы 2 маңызды қасиетке ие. Біріншіден, оларда, ықтималды кедергіні электронмен меңгеру ықтималдылығын біршама жоғарлататын, жаңғырықты үңгіртау әсері байқалуы мүмкін. Ол ықтималды апанда орналасқан электронның қуат мәні көршілес ықтималды апанның энергетикалық деңгейінің бірімен сәйкес келгенде пайда болады. Ал екіншіден бұндай құрылымдардағы энергетикалық диаграммаларда кіші аймақтар пайда болады, оларда валентті аймақпен периодтты жоғары тордың шығысындағы жартылай өткізгішті кристаллдардың аймақты өткізгіштері жарықшаланады.
Жоғарғы тордың энергетикалық диаграммасының параметрлерін қолданыстағы жартылай өткізгішті қабықшалардың қалыңдығы мен құрамын өзгерте отырып түрлендіруге болады. Ықтималды апанның еңін азайтқанда кіші аймақтар арасындағы энергетикалық саңылаулар өседі, ал ықтималды апан еңінің азаюы кіші аймақтардың кеңеюін тудырады.
Жоғары торлардың жартылай өткізгіштің қасиеттерінің негізінде әртүрлі оптикалық құралдарды жасауға болады: фото қабылдағыштар, жарықдиодтары мен лазерлер, сонымен қатар инфрақызыл диапозонда жұмыс жасайтын құралдар.
Жоғарғы торлардың маңызды түрі фотонды кристалдар болып табылады, олардың құрылымында сыну коэффициенті кезеңмен өзгеріп тұрады. Бұндай өзгерістер жоғары торлар жарықтың толқын ұзындығының периодынан салыстырмалы, және ол бір, екі немесе үш өлшемдерінде байқалады. Фотонды кристалдарды сәйкесінше 1D, 2D және 3D болып ажыратылады.
Практикалық көзқарас жағынан фотонды кристаллдардың қасиеттері болып рұқсат етілген және рұқсат етілмеген кеңістік аймақтың белгіленген қуаттың болуы болып табылады, сонымен қатар бұл аймақтар кристал ішінде әртүрлі конфигурация мен бейімделуі әртүрлі болуы мүмкін. Кристалдарға ақауларды енгізу арқылы ерекше оптикалық қасиеттерге ие локальді аймақтарды жасауға болады. Фотонды кристалдар негізінде оптикалық фильтрлар, толқын арнасы, резонаторлар және линзаларды жатқызуға болатын кейбір бірегей оптикалық құрылғылар жасалынады. Фотонды кристалдарды қолдана отырып әртүрлы логикалық және есте қалатын құрылғыларды құрастыруға болады, бұл фотониканың базалық құрамы екенін көрсетеді - фотондардың ғылыми және қосымша есептерін шешетін генерация, тіркеу және басқару сияқты мәселелермен айналысатын физика мен техниканың аймағы. Фотониканың ең бір маңызды бөлігі оптоинформатика болып табылады, ол ақпаратты өңдеу және тарату фотонды технологиясын зерттейді. Бұл технологияларды қолдану логикалық элеметтердің тез жұмыс жасауына және олардың негізінде жасалынатын құрылғыларға ықпал етеді. Негізінен компьютерлер дәстүрлі электронды құрылғылармен салыстырғанда ақпаратты тасушы ретінде элетрлік қуатты қолданады.
Наноматериалдардың оптикалық қасиеттерін қарастыруды аяқтағанада кеуекті кремнийдіде (кәдімгі кремнийден химиялық уландыру арқылы алынатын, кремнийде 10 нм. диаметрлі қуыстың пайда болуынан алынады) ескерген жөн (PoSi). 1990 жылдары кеуекті кремний (1,5 - 1,6 эВ қуат фотонын таратуда) жеткілікті интенсивті фотолюминесценцияға ие екенін көрсетті, ал кәдімгі кремний өз кезегінде, рұқсат етілмеген Si аймағына жақын, 1,0 - 1,2 эВ қуат фотондарымен әлсіз люминесценді көрсетеді.
РоSi люминесценсияның ерекшеліктері бірнеше факторлардың жиынтығымен түсіндіріледі: әртүрлі беткі жағдайлар мен ақаулардың пайда болуымен, квантты нүктелердің пайда болуы және т.б. Люминесценсия РоSi сонымен қатар қосылған кернеу әсерімен (электролюминесценсия) немесе зарядталған бөлшекпен бомбалау (катодолюминесценсия), бұл оның негізінде әртүрлі түрлендіргіштер мен тарату қуаттарын жасауға мүмкіндік береді.
Жаңа элементті базаның құрылуында жоғарыда суреттелген фундаменталды физикалық принциптер КА перспективті комплекстердің аппаратураларға алғашқы деңгейлі мәнге ие.
Электрлік және магнитті қасиеттері
Материалдардың электр өткізгіштеріне тек қана классикалық емес, сонымен қоса бірсарынды квантты эффекттер әсер етеді. Өткізгіште ретсіз жылулық қимыл жасайтын электрондар еркін жүгіріс ұзындығы деп аталатын тербермелі тор иондармен, соғылыс алдында кейбір орташа аралықты өтіп, соқтығысады. Егерде өткізгішке әлеуеттілік түрлілілігі қосылса, онда электрондардың ретсіз қозғалысына олардың реттелген дрейфі (электрлік өрісте 10-3мс-1 жылдамдықпен) қосылады, ол жылу қозғалысының жылдамдығынан бірқатар төмен. Металлдардағы электрлік тоқтардың пайда болуында басты рөльді электронның дрейфті жылдамдығы атқармайды, оның жоғарғы концентрациясы атқарады (1028 - 1029 м-3).
Электрондардың бос жүгіріс ұзындығы әр түрлі металлдар үшін шамамен 10 -100 нм құрайды, бүл тұрақты кристалл торынан біршама көп. Дегенмен, егерде өткізгіштің өлшемдері жеткілікті үлкен болса (3D - нысан), онда байланыстар арасындағы жолда электрондар ион торларымен айтарлықтай соқтығысқа ұшырайды, оларға потенциалдың түрлілігі қосылған. Электрондардың бұндай қозғалыс тәртібі диффузионды деп аталады.
Егерде өткізгіштердің өлшемдері нанодиапазонда жатса, және электрондардың бос жүріс ұзындығы аз болса, онда барлық электрондар байланыс арасындағы аралықты соқтығыссыз өтіп кетеді. Бұндай жағдайда баллистикалық қозғалыс тәртібі іске асады.
Екі тәртіптеде электрондардың қозғалысына қосымша кедергілер беткі қабаттарындағы түйіршіктер арасындағы наноөткізгіштермен жасалынады, олардың көлемдік мазмұны түйіршіктер көлемінің азаюымен үлкейеді (1.2 суретті қара). Сәйкесінше наноматериалдардың салыстырмалы кедергісі ұлғаяды, бұл 1.13 суретте келтірілген түйіршік өлшемдерімен ажыратылатын, никельдің салыстырмалы кедергіге ρ тәуелді температурасымен дәлелденеді. Осы сияқты тәуелділіктер сонымен қатар наноқабықша үшін де жасалынған.
Түйіршік өлшемдерінің металл материалдарының жылу өткізгіштеріне әсерін ескере кетейік. Металлдар үшін электронның жылу өткізгіштігінің құрамдас бөлігі басым болып табылса, онда түйіршіктердің шегіндегі электрондардың қосымша таралуы, олардың өлшемдерінің азаюымен байланысты, жылу өткізгіштіктің төмендеуін тудырады. Мысалы, күміс үшін оның төмендегені, ірітүйіршікті құрылымнан 20 - 50 нм құрылымды түйіршікке 3 - 4 рет өткенде байқалды.
Сурет 1.13. Түйіршіктердің өлшемдері: 1 - 3*105; 2 - 55; 3 - 30; 4- 27; 5-22 болғандағы Ni үлгілеріне ρ (Т) тәуелділігі
Баллистикалық наноөткізгіштің өлшемдері де Бройльдің толқын ұзындығының өлшемімен салыстырылатындай болғанда, байланыс арасындағы зарядты тасу, 1.1 бөлімде қарастырылған, электронды қалыпты кванттауға әсер ете бастайды. Наноөткізгіш қимасының азаюымен оның өткізгіштігіндегі секіріп төмендеу орын алады, оның деңгейі наноөткізгіш өлшеміне байланысты болады. Теориялық түрде, өткізгіш кванты деп аталатын, өткізгіш қарғуының мимнималды көлемі 2е2һ (е - қарапайым заряд, һ - тұрақты Планка) құратыны көрсетіліген. Оған қарсы өлшемі квант кедергісі - һ2е2≈12,9 кОм деген атқа ие болды. Ескере кететін тағы бір жайт, ол кванттаудың өткізгіштік тәжірибесін температураның абсолютті нһлге жақын болғанда бақылауға болады, себебі бұл эффект электрондардың жылулық қозғалысымен шайылып кетеді.
Наноөлшемді құрылымдар арқылы өтетеін электрлік тоқтағы кваттаудың эффектісін қолдана отырып, наноэлектроника элементтерін жасауға болады. Олардың жұмыстары тек қана аз электрлік зарядтармен ғана басқарылады (тіпті бір зарядты электронмен де). Ал заманауи микроэлектроника элементтері өз кезегінде заряд өлшемі 105 - 106 электрондларын талап етеді.
Сурет 1.14. Квантты нүктемен құрылымның наноөлшегіш сұлбасы (а) және сатылы вольт - амперлік сипаттамасы (б)
1.14 а суретте кванттық нүкте (3) орналасқан, диэлектрлік ортамен бөлінген, металлды электродтың (1,2) наноөлшемді құрылымы суреттелген. Бұндай құрылымда электрлік тоқ электродтар мен квантты нүкте арасындағы потенциалды кедергілер арқылы өтуі мүмкін. Сурет 1.14 б оңайлатылып көрсетілген кернеудің U сатылы сипаттамысы, электродтар арасында өтетін, материал қасиеттері мен құрылым элементтерінің өлшемімен анықталатын, потенциалды кедергілердің нақты параметрлері. Вольт - амперлік сипаттамасының бұндай түрі кулондық блокада эффектісімен шартталған. Электронның квантты нүктесінен келесі электрондарға потенциалды кедергі арқылы өту, кулонды итеру арқылы мүмкін болмайды. UКБ кернеуі кезінде кулонды кедергіні өту қамтамасыз етіледі.
Кванттық нүктеге бір электронның қосылуы оның потенциалын бойынша өзгертеді. Есептеулер GaAs өлшемді кванттық нүктелердің 10 нм өлшемінің мәні . Мұндағы потенциалдар айырымы кезекті келесі электронның квантық нуктеге құлап кетуіне кедергі жасауына жеткілікті. Сондықтан, қарастырылған құрылым электрондарды бір-бірден босатуға қабілетті.
Бірэлектрондық туннельдеу жағдайын қамтамасыз ету үшін екі шарт орындалуы қажет:
oo Кванттық нүктелердің электростатикалық энергиясы ондағы бір электронның болуымен сандық түрде бөлшектердің жылулық энергиясын арттырады:
oo Потенциалдық барьердің туннельдік қарсыласуы кванттық қарсыласудан жоғары болады:
Материалдардың магниттік қасиеті элементтердің құрылымдық өлшемінен тәуелді. Егер затты магниттік өріске H кернеумен орналастырсақ, онда жалпы ішкі магниттік индукция бастапқы магниттік өріс индукциясынан айырымашылық жасайды. Оны намагниттік М дейді және оны келесі теңдеумен анықтайды:
мұндағы: магниттік тартқыштық, магниттік тұрақтылық.
Магнит индукциясының өзгеру дәрежесі салыстырмалы магнит өткізгіштікпен μ=ВВ0 сипатталады.
Fe, Co және Ni ферромагнетиктердің типтік өкілдері болып табылады, μ≫1 және χ1 болғанда оларда зат көлемінде магнит өрісінің айтарлықтай жоғарылауы байқалады. Мұны ферромагниктерде, домен деп аталынатын, белгілі облыстар шегінде жеке атомдардың магниттік моменті домендерге бастапқы магниттену қамтамасыз ету арқылы бір бағытқа бағдарланғандығымен түсіндіруге болады. Магнит өрісінің векторында жеке домендердің магниттенуі оның күш сызықтарына бағдарланады. Ол өрістің жоғарылауына алып келеді.
Гистерезис ілмегі (петля гистерезиса) сипатталынатын ферромагнитті материалдардың маңызды параметрлеріне: материалдың максималды магниттенуін сипаттайтын - қанығу индукциясы BS, сыртқы магнит өрісі алынғаннан кейінгі материалдардардың магниттену дәрежесін көрсететін - қалдық индукция Br, сыртқы магнит өрісінің кернеулігі кезінде қалдық индукция нөлге тең болатын - коэрцитивті күш НС. Жоғарыда айтылған барлық параметрлер ферромагнетиктер тұратын кристаллиттер өлшемінен тәуелді.
Сурет 1.15. коэрцитивті күштің НС кристаллит өлшемінен d тәуелдігі
1.15 суретте коэрцитивті күштің түрленген кристаллит өлшемдерінің мәндердің кең диапазонында өзгеруі көрсетілген. Көрсетілген тәуелділік анық монотондық емес сипатқа ие.
Кристаллит өлшемдерін 103мкмден субмикронды облыста жататын мәнге дейін төмендеткенде коэрцитивті күштің өсуі байқалады. Бұл өлшемдік диапазонда d мәні, магниттік вектордың бағытының өзгеруі жүретін шектен, домендік қабырғалардың (40-70 нм) енінен асып кетеді. Материалдардың қайта магниттелуі домен қабырғаларының қозғалуымен байланысты болғандықтан, олардың қозғалуы барысында энергияның жоғалуының ұлғаюына және қабырғалаырдың көлемдік құрылымының өсуіне байланысты кристаллиттердің өлшемдерінің азаюынан қайта магниттену қиындайды. НС максималды мәніне доменді қабырғалардың қалыңдығына сәйкес келетін d өлшемдеріне сәйкес келеді.
d мәні нанодиапазонның жоғары шекарасына жақындағанда және оның әрі қарай төмендеуінде ферромагнетиктің құрылымының көп домендіден бір домендіге ауысуы жүреді. Бұл өз кезегінде НС төмендеуіне алып келеді. Бір доменді құрылым жағдайында барлық атомдардың магниттік моменттері бірдей бағытталған және әрбір кристаллит жеке бір домен ретінде ұсынылады.
Түйірлердің (зерно) өлшемінің 1-10нм дейін төмендеуі материалды күшті парамагнитті күйге ауысуына алып келеді. Себебі көрсетілген түйірлердің өлшемінде олар өздерін, атомдардың магниттік моменті кездейсоқ жағдайда орналасқан зат, парамагнетиктегі атомдар сияқты ұстай бастайды. Осылайынша көрсетілген өлшемдегі түйірлер жоғарыда айтылған кванттық нүктелерге сияқты өзгеше үлкен квазиатомдар ретінде қарастырылады. Pt және Al, μ1 және χ0 типтік өкілі болып табылатын қарапайым парамагнетиктер үшін заттың ішінде магит өрісінің жоғарылауы байқалады, алайда ол өте аз. Суперпарамагнетиктер үшін гистерезистің өте тар ілмегінде әлдеқайда үлкен магниттілік қол жеткізіледі,сол себепті оларды іс жүзінде артық энергия шығынынсыз қайта магниттеуге мүмкіндік туады. Эксплуатационды параметрлердің кең ауқымда өзгеруі арқасында наноқұрылымданған магнитті материалдар әр түрлі наноқұрылғыларды құрастыру барысында қолданылуы мүмкін.
Нанотехнологияның физикалық негіздері
Мысалы, суперпарамагнетиктердің қызықты бір түрі ферромагнитті сұйықтықтар болып табылады, олар өз кезегінде коллоидты ерітінділер (сондай-ақ золь деп аталатын) - диаметрі 1-100 нм болатын жүзгін қатты бөлшектер (бұл жағдайда ферромагнетиктердің бөлшегі). Мұндай сұйықтықтыққа магнит өрісін қолданған кезде жекелеген бөлшектердің бастапқыда кездейсоқ түрде бағдарланған магниттік сәттері, өріс бойымен сап түзеді, ал өрісті шығару кезінде олар еркін бағдарланған түрге қайтып келеді және сұйықтық қайтадан магнитті емес күйге айналады, яғни ол суперпарамагнетиктік қасиеттерін танытады. Сұйықтықты магниттендірген кезде , оның ішінде қатты бөлшектердің өзіндік тізбегі қалытасады, ол сұйықтықтардың оптикалық және механикалық қасиеттеріне әсер етеді. Бөлшектердің концентрациясы мен өлшемдерін және де кернеулігі мен сыртқы магнит өрісінің бағытын қолдана отырып, ферромагнитті сұйықтықтар негізінде оптикалық ысырмалар, басқармалы дифракциялық торлар, герметиктер, демпферлеуіш құрылғылар және т. б. Жасап шығаруға болады. Магниттік наноқұрылымдар көмегімен практикалық тұрғыдан тағы бір өте маңызды құбылыс - алып магнетокедергілік жүзеге асырылуда. Магнетокедергілік деп магнит өрісі әсерінен өткізгіш кедергісінің өзгеру құбылысы аталады. Бұл құбылыс магнит өрісі әсерінен өткізгіштегі еркін электрондар траекториясының қисаюына байланысты, соның салдарынан олардың бағытталған дрейфы қиындай түседі. Әдеттегі металдар бөлме температурасында магнит өрісінің әсерінен кедергінің салыстырмалы өзгеруі әдетте 3−5% -дан аспайды. Алып магнетокедергілік бұндай өзгерістен шамамен 100 есе көп өлшеммен сипатталады. Бұл әсер қабатты наноқұрылымда жүзеге асырылады, олар өз кезегінде қайталанатын ферромагнетик және магниттік емес өткізгіштер үшін маңызы бар χ және μ мәндері өте аз болатын қабаттарынан тұрады. Қарапайым жағдайда бұл құбылысты төмендегі 1.16 суретте көрсетілгендей, ондағы (1) мен (3) ферромагнитті қабаттар (Co), ал (2) магниттік емеc қабат (Cu) болып табылатын үшқабатты ұяшықта жүзеге асырылуы мүмкін.
Сурет 1.16. Үшқабатты наноқұрылымда алып магнетокедергіліктің пайда болуы
Әрбір қабаттың қалыңдығы нанометр бірліктерімен өлшенеді. Алып магнетокедергіліктің негізінде электрондардың бағдарланған спиндері қабатының ферромагнетиктердің магниттелу бағытына қатысты шекараларын өту ықтималдылығының тәуелділігі жатыр. Егер спиннің бағдары ферромагниттік қабаттың ішіндегі магниттік өрістің бағытымен сәйкес келсе, онда электрон шекарадан едәуір оңай өтеді. Спиннің қарама-қарсы бағдарында электрондар үлкен ықтималдылықпен қабаттар бөлімінің шекарасында сейіледі. Демек, ферромагниттік қабаттар (1) мен (3) бір бағытта магниттелсе (сур. 1.16 а), онда осы бағытпен сәйкес келетін спин бағдары бар электрондар екі шекараны да оңай кесіп өтеді. Қарама-қарсы бағытталған спиндері бар электрондар екі шекарада да сейілуді күтеді. Егер ферромагниттік қабаттар (1) мен (3) қарама-қарсы бағытта магниттелсе (сур. 1.16 б), онда әрбір электрон спин бағдарына тәуелсіз қабаттар бөлімінің шекараларының бірінде ғана сейіледі. Осылайша, қарама-қарсы бағытталған спиндері бар электрондардан құрылатын ток үшін үшқабатты құрылымда көрсетілген электрлік кедергілік әртүрлі, сол себепті сурет 1.16 төменгі бөлімінде эквивалентті схемамен көрсетілген. Егер r R болса, онда эквивалентті схемадағы (а) және (б) жағдайы үшін толық кедергінің айырмашылығы аса жоғары және ұяшықтың өткізгіштік күйден жабық күйге ауысуы жайлы айтуға болады. Сондықтан кейде бұндай құрылымдарды спиндік клапан ( spin valve ) деп атайды.
Әдетте ұяшықтың өткізгіштік күйден өткізгіштік емес күйге және керісінше ауысуы электромагниттің көмегімен ферромагнитті қабаттың бірінде магниттелу векторының бағдарын өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Көп қабатты құрылымдарда әсер күшейеді, ол электрондардың магниттік емес өткізгіштің бойымен қозғалуы барысында да байқалуы мүмкін. Атап өткен жөн, бұндай ұқсас әсер нанобөлшектер жалғанған ферромагнетиктерден тұратын магниттік емес материалдарда да кездеседі. Мұнда ол сыртқы магнит өрісі әсерінен нанобөлшектердің шекарасында электрон өткізгіштіктің шашырау сипатының өзгеруіне байланысты. Магнит өрісінің әсері бөлшектердің мөлшерінің азаюымен және олардың концентрациясының көбеюімен күшейеді.
Сипатталған ұяшықтар өте кішкентай өлшемдер иеленуі мүмкін, соның негізінде үлкен көлемді есте сақтау құрылғыларын жасап шығаруға мүмкіндік туады. Осындай есте сақтау құрылғыларының үлгілері - магниттік жедел жады (MRAM, magnetoresistive random-access memory) - құрылды. Олардың артықшылығы энерготәуелсіздік жазылған ақпаратты қуат көзі болмаған жайдайда да сақтау қабілеті болып табылады. Сонымен қатар, магнитті ұяшықтың жадтары иондаушы сәуленің әсеріне сезімтал емес, бұл олардың ғарыш аппараттарындағы электрондық жабдықтарды өте тартымды түрде пайдалануға мүмкіндік береді. Мүмкін, осыған ұқсас құрылғыларды қолдану жекелеген зарядталған бөлшектердің ғарыштық сәулелену әсерінен туындайтын ғарыш аппараттарының борттық компьютерлердегі ақауларларын шешуге мүмкіндік берер. Толығырақ бұл мәселе 4-бөлімде қарастырылады.
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz