Reja; Nanomateriallar. Magnit nanostrukturalar Strukturaviy nanomateriallar

Nanoelektronika. Zamonaviy fan-texnika taraqqiyoti, shubhasiz, elektronikaning rivojlanishi bilan belgilanadi, bu esa fundamental fanlarning turli sohalari, asosan, qattiq jismlar fizikasi, yarim o‘tkazgichlar fizikasi, qattiq jismlar texnologiyasi yutuqlariga asoslanadi. Ilm-fanning so'nggi yutuqlari shuni ko'rsatadiki, an'anaviy mikroelektronikadan farqli o'laroq, yaqin o'n yillikda potentsiallari tugaydi, elektronikani yanada rivojlantirish faqat yangi fizik va texnologik g'oyalar asosida mumkin.Shunday qilib, bir necha o'n yillar davomida tizimlarning funktsional murakkabligi va tezligini oshirishga joylashtirish zichligini oshirish va elementlarning o'lchamlarini kamaytirish orqali erishildi, ularning ishlash printsipi ularning miqyosiga bog'liq emas edi. O'nlab yoki nanometr birliklari tartibidagi elementlarning o'lchamlariga o'tishda sifat jihatidan yangi holat yuzaga keladi, bu kvant effektlari (tunnellash, o'lchamlarni kvantlash, interferentsiya effektlari) nanostrukturalardagi jismoniy jarayonlarga va ularning ishlashiga hal qiluvchi ta'sir ko'rsatadi. ularga asoslangan qurilmalar.Funktsional elementlarning rolini alohida molekulalar bajaradigan nanostrukturalarni yaratish ham istiqbolli. Kelajakda bu biologik ob'ektlarda (molekulyar nanoelektronika) amalga oshirilgan axborotni qabul qilish va qayta ishlash tamoyillaridan foydalanish imkonini beradi. Quvvat, harorat va radiatsiya qarshiligini oshirish, chastota diapazonini kengaytirish, qurilmalarning ergonomik xususiyatlarini yaxshilash bo'yicha yangi imkoniyatlar vakuum va qattiq jismli elektronika (vakuum nanoelektronika) g'oyalari va texnologik yutuqlarini sintez qilish yo'nalishini ochadi.Nanostrukturalarni yaratish ma'lum elektron spektrga va zarur elektr, optik, magnit va boshqa xususiyatlarga ega bo'lgan qattiq sirt va ko'p qatlamli tuzilmalarni atom darajasida loyihalashning eng yangi texnologik yutuqlariga asoslanadi. Bunday sun'iy materiallarning kerakli tarmoqli tuzilishi strukturaning alohida qatlamlari tayyorlanadigan moddalarni tanlash ("zona muhandisligi"), qatlamlarning ko'ndalang o'lchamlari (o'lchovli kvantlash) va ular orasidagi bog'lanish darajasini o'zgartirish orqali ta'minlanadi. qatlamlar ("to'lqin funktsiyasi muhandisligi"). Kvant o'lchovli planar tuzilmalar (kvant quduqlaridagi ikki o'lchovli elektron gaz, super panjaralar) bilan bir qatorda bir va nol o'lchovli kvant ob'ektlari (kvant simlari va nuqtalari) o'rganilmoqda, ularning qiziqishi yangi kashfiyotlar umidlari bilan bog'liq. fizik hodisalar va natijada bunday tuzilmalarda elektron va yorug'lik oqimlarini samarali boshqarish uchun yangi imkoniyatlarni olish.


Guruch. 7. Xiral bo'lmagan nanotubalar: a - C(n, n) - metall;
b-c (n, 0): mod (n, 3) = 0 - yarim metall
mod(n, 3)!= 0 - yarim o'tkazgich.

Guruch. 8. Egri trubka uglerod atomlari, uch o'lchovli fazoda. Muntazam olti burchakli tekis grafit varag'idagi hujayra bo'lib, ular turli xil chirallik (m, n) 3 ga o'ralishi mumkin. Muntazam beshburchaklar (heptagonlar) grafit varag'idagi mahalliy nuqsonlar bo'lib, uning ijobiy (salbiy) egriligini olish imkonini beradi. Shunday qilib, muntazam besh, olti va etti burchakli birikmalar uch o'lchovli fazoda uglerod sirtlarining turli shakllarini olish imkonini beradi (8-rasm). Ushbu nanostrukturalarning geometriyasi ularning noyob fizik-kimyoviy xususiyatlarini va shuning uchun ularni ishlab chiqarish uchun printsipial jihatdan yangi materiallar va texnologiyalarning mavjudligini aniqlaydi. Yangi uglerod materiallarining fizik-kimyoviy xossalarini bashorat qilish kvant modellari yordamida ham, molekulyar dinamika doirasidagi hisob-kitoblar yordamida ham amalga oshiriladi. Bir qatlamli quvurlar bilan bir qatorda ko'p qatlamli quvurlarni yaratish ham mumkin. Nanotubalarni ishlab chiqarish uchun maxsus katalizatorlar qo'llaniladi.
Yangi materiallarning o'ziga xosligi nimada? Keling, uchta muhim xususiyatga e'tibor qarataylik.Super kuchli materiallar. Grafit varag'idagi uglerod atomlari orasidagi bog'lanishlar eng kuchli ma'lum, shuning uchun nuqsonsiz uglerod quvurlari po'latdan ikki baravar kuchliroq va po'latdan taxminan to'rt baravar engilroqdir! Yangi uglerodli materiallar sohasida texnologiyaning eng muhim vazifalaridan biri "cheksiz" uzunlikdagi nanotubalarni yaratishdir. Bunday quvurlar yangi asr texnologiyasi ehtiyojlari uchun eng yuqori quvvatga ega engil kompozit materiallarni ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin. Bular ko'priklar va binolarning quvvat elementlari, ixcham samolyotlarning yuk ko'taruvchi tuzilmalari, turbinalar, yoqilg'i sarfi juda past bo'lgan dvigatel quvvat bloklari va boshqalar. Ayni paytda ular diametri bir nanometrga teng bo'lgan o'nlab mikron uzunlikdagi quvurlar yasashni o'rgandilar.yuqori o'tkazuvchan materiallar. Ma'lumki, kristalli grafitda qatlam tekisligi bo'ylab o'tkazuvchanlik ma'lum materiallar orasida eng yuqori va aksincha, qatlamga perpendikulyar yo'nalishda past bo'ladi. Shu sababli, nanotubalardan tayyorlangan elektr kabellari xona haroratida mis kabellardan ikki baravar yuqori elektr o'tkazuvchanligiga ega bo'lishi kutilmoqda. Etarli uzunlikdagi va etarli miqdorda quvurlarni ishlab chiqarish texnologiyasiga bog'liq,nanoklasterlarNano-ob'ektlar to'plami o'nlab, yuzlab yoki minglab atomlardan tashkil topgan o'ta kichik zarralarni o'z ichiga oladi. Klasterlarning xususiyatlari bir xil tarkibdagi materiallarning makroskopik hajmlarining xususiyatlaridan tubdan farq qiladi. Nanoklasterlardan ham, yirik qurilish bloklaridan ham, oldindan belgilangan xususiyatlarga ega yangi materiallarni maqsadli ravishda loyihalash va ularni katalitik reaktsiyalarda, gaz aralashmalarini ajratish va gazlarni saqlash uchun ishlatish mumkin. Bir misol Zn 4 O(BDC) 3 (DMF) 8 (C 6 H 5 Cl) 4. O'tish metallari, lantinidlar va aktinidlar atomlaridan tashkil topgan magnit klasterlar katta qiziqish uyg'otadi. Ushbu klasterlar o'zlarining magnit momentlariga ega, bu ularning xususiyatlarini tashqi magnit maydon yordamida boshqarish imkonini beradi. Masalan, yuqori spinli organometall molekulasi Mn 12 O 12 (CH 3 COO) 16 (H 2 O) 4. Bu nafis konstruksiya tetraedrning uchlarida joylashgan spini 3/2 boʻlgan toʻrtta Mn 4+ ionidan va bu tetraedr atrofida spin 2 boʻlgan sakkizta Mn 3+ ionidan iborat. Marganets ionlari orasidagi o'zaro ta'sir kislorod ionlari tomonidan amalga oshiriladi. Mn 4+ va Mn 3+ ionlari spinlarining antiferromagnit o'zaro ta'siri 10 ga teng bo'lgan etarlicha katta umumiy spinga olib keladi. Asetat guruhlari va suv molekulalari Mn 12 klasterlarini molekulyar kristalda bir-biridan ajratib turadi. Kristaldagi klasterlarning o'zaro ta'siri juda kichik. Nanomagnitlar kvant kompyuterlari uchun protsessorlarni loyihalashda qiziqish uyg'otadi. Bundan tashqari, ushbu kvant tizimini o'rganishda bistabillik va histerezis hodisalari aniqlandi. Agar molekulalar orasidagi masofa taxminan 10 nanometr ekanligini hisobga olsak, bunday tizimdagi xotira zichligi kvadrat santimetr uchun 10 gigabaytga teng bo'lishi mumkin.