Reja; Nanomateriallar. Magnit nanostrukturalar Strukturaviy nanomateriallar

Molekulyar nanostrukturalar. So'nggi paytlarda organik materiallar nanotexnologiyalarga texnologik jarayonning ajralmas ishtirokchilari (masalan, nanolitografiyada) sifatida ham, molekulyar elektronika deb ataladigan mustaqil ob'ektlar va qurilmalar sifatida ham jadal jalb qilinmoqda.Organik dunyoning xilma-xilligi yaxshi ma'lum (taxminan 2 million sintezlangan birikmalar va bu raqam doimiy ravishda o'sib bormoqda) - "yarim noorganik" komplekslardan (uglerod klasterlari, organometalllar) biologik ob'ektlargacha (DNK, gemlar). Nanotexnologiya va molekulyar elektronika uchun materiallar nuqtai nazaridan shartli ravishda uchta asosiy sinfni ajratish mumkin: polimerlar, molekulyar birikmalar (molekulyar birikmalar, o'z-o'zidan yig'ilgan tizimlar) va bitta molekulalar: ikkinchisi, shuningdek, "aqlli" yoki "funktsional" molekulalar deb ataladi. (aqlli molekulalar).
Birinchi sinf eng uzoq vaqt davomida o'rganilgan va ishlarning umumiy to'plamiga ko'ra, ehtimol, eng intensiv. Bundan tashqari, turli xil poli- va oligomerlarning dielektrik, optik va lyuminestsent xususiyatlari allaqachon muhandislik va elektronikada keng qo'llaniladi, ular bozor va iqtisodiy samaraga eng yaqin.
Ikkinchi sinf- nanometr o'lchamdagi molekulyar ansambllar - nisbatan yaqinda o'rganilgan. Bularga, masalan, porfirinlar (jumladan, xlorofill) va eritmalardan olingan boshqa amfifil molekulalar asosidagi agregatlar kiradi. Supramolekulyar (ya'ni, supramolekulyar, ierarxik) tashkilot murakkab va qiziqarli bo'lib, uni o'rganish va (foto-) elektr xossalari bilan bog'lanishi biologik va tabiiy jarayonlarni (hujayra tashish, fotosintez) yoritadi. Bunday tizimlarning tashqi ta'sirlarga (yorug'lik, atmosfera, tebranish) sezgirligi, eng muhimi, o'ziga xos selektivligi topildi, bu ularni turli xil sensorlarda, shu jumladan elektron-ion o'tkazuvchanligi aralashganlarda qo'llash imkonini beradi. Nano o'lchamdagi molekulyar novdalar va simlar, shu jumladan noorganik materiallar (masalan, ikkita metall elektrod) orasidagi interfeys sifatida o'rganilmoqda. Vaqt o'tishi bilan klassik cholg'u bazasi bilan integratsiya bo'ladi, deb taxmin qilinadi.Umuman olganda, asosan van der Vaals yoki vodorod aloqalari asosida qurilgan tizimlar ikki darajadagi erkinlikka ega bo'lgan qattiq holat dizayni nuqtai nazaridan juda istiqbolli ob'ektdir: o'zgartirilishi mumkin bo'lgan (sintez paytida o'zgartirilishi) va javobgar bo'lgan molekulyar struktura, masalan, yorug'likni yutish yoki chiqarish uchun; kristall (plyonka, epitaksial qatlam) o'sishi jarayonida o'zgarishi mumkin bo'lgan va fazaviy hodisalar, zaryad tashuvchisi va magnit xususiyatlar uchun mas'ul bo'lgan molekulalararo tuzilish. Misol tariqasida mis ftalosiyanin va periferik ftorli mis ftalosiyanin strukturaviy jihatdan izomorf, lekin mos ravishda - va - tipidagi yarimo'tkazgichlardir. Hozirgi vaqtda vakuumli qatlamlar asosidagi to'liq organik rektifikatsiya qiluvchi birikmalar jadal o'rganilmoqda. Shu bilan birga, ftalosiyanin plyonkalarini kuchli qabul qiluvchi (masalan, yod) bilan doping qilish faza tuzilishini yarim o'lchovli metall o'tkazuvchanlikka qadar o'zgartiradi.Muhim guruh, shuningdek, organik molekulalar yoki turli tuzilishdagi zanjirlar asosidagi o'z-o'zidan yig'iladigan mono qatlamlar (SAM "lar) bo'lib, ular litografiyada istiqbolli uzatuvchi materiallar sifatida ham, molekulyar kon'yugatsiya konturi bo'ylab elektrotransportni o'rganish uchun ham qo'llaniladi.Bu erda uchinchi sinf allaqachon boshlanadi. .Nanotexnologiyada organik materiallardan foydalanishning uchinchi sinfi yoki usuli eng yosh hisoblanadi. Buni G'arb musobaqalari paydo bo'lgan yoki futuristik texnologiyalar (birdan paydo bo'lgan yoki futuristik texnologiyalar) deb atashadi. Agar suyuq kristall displeylar, CD-R texnologiyalari, fotokonvertorlar, sensorlar va organik materiallarga asoslangan boshqa qurilmalar yaxshi ma'lum bo'lsa va asta-sekin (asta-sekin bo'lsa ham - allaqachon keng qo'yilgan va ilgari surilgan "silikon" va GaAs ustuvorligidan tushunarli inhibisyon tufayli) paydo bo'ladi. bozorda real ishlab chiqarishda yagona molekulyar qurilmalar (qurilmalar) mavjud emas. Bundan tashqari, agar klassik organik qattiq moddalarning (molekulyar kristallar) makroskopik xossalari qoniqarli nazariy tavsifga ega bo'lsa, unda bir molekulyar qurilmalarda kutilayotgan jarayonlar unchalik aniq emas. Eng soddalashtirilgan yondashuv: biz yaxshi tashkil etilgan kvant tizimi bo'lgan ma'lum bir molekulani olamiz, biz buning uchun elektrodlar qilamiz va biz, masalan, diodani olamiz. Bu darhol ko'plab yangi savollarni tug'diradi. Xususan, metall/molekulyar yarimo'tkazgich interfeysi, hatto makro darajada ham, juda noaniq.Shunga qaramay, ushbu sinfda chinakam "nano o'lchamli" effektlar kutilmoqda. Molekulyar nanomachinlar va nanomotorlar (rotorlar), dinamik molekulyar kalitlar, energiya tashuvchilar, tanib olish va axborotni saqlash qurilmalari loyihalashtirilmoqda. Alohida molekulalarda tashuvchilarning in'ektsiyasi va tunnel oqimini o'rganish uchun prob mikroskopiya usullari takomillashtirilmoqda.Biroq, organiklarning asosiy afzalliklari (agar eng muhimi bo'lmasa) orasida arzonligi va mavjudligi ekanligini unutmaslik kerak. Yangi birikmalarning murakkab sintezi ularni yuqori toza noorganik moddalarga qaraganda deyarli qimmatroq qiladi, shuning uchun eng katta amaliy istiqbollar keng qo'llaniladigan va o'rganilgan (ko'p yoki kamroq) yuqori barqarorlik va integratsiya qobiliyatiga ega birikmalarni o'rganish va modifikatsiyalash (optimallashtirish) hisoblanadi. (shart emas) ishlab chiqilgan texnologik jarayonlarga. Eng mashhurlari ftalosiyaninlar, fullerenlar, politiofenlar va poliarenlardir.Fullerenga o'xshash materiallarGrafit, olmos va umuman tan olinmagan karbin uzoq vaqt davomida uglerodning asosiy allotron holatlari hisoblangan. Ular sanoat va texnologiyaning ko'plab sohalarida, shu jumladan mikro va optoelektronikada qo'llanilgan. 20-asr oxiriga 10 yil qolganda uglerodning yangi molekulyar shakllari dastlab koinotda topildi, soʻngra laboratoriyada – fullerenlar va fullerenga oʻxshash alohida moddalar va materiallar olindi. O'tgan asrning oxirida har yili fullerenlar (ularni ishlab chiqarish, tadqiq qilish va qo'llash) bo'yicha 1000 tagacha yoki undan ortiq nashrlar nashr etilgan. Fulleren tuzilmalarining o'z-o'zini tashkil etishi hamma joyda: kosmosda, Yerdagi tabiiy jarayonlarda, sanoat jarayonlarida (qora metallurgiya) va laboratoriyalarda sodir bo'lishi aniqlandi. Ushbu materiallarning xossalari va tuzilishi shunchalik xilma-xil va qiziqarliki, fulleren materiallari sanoatda keng qo'llanila boshlandi: mikro va nanoelektronikadan samarali dori vositalarigacha.Hozirgi vaqtda olingan va o'rganilayotgan fulleren materiallariga quyidagilar kiradi:
· Fullerenlar. Ular molekulyar-kristalli qattiq jismlarni hosil qiladi, bu ko'pincha molekulalarining katta o'lchamlari va yuqori simmetriyasi tufayli erish nuqtasi bo'lmagan plastik kristallardir. Ular shar yoki ellips bo'lgan molekulalar tomonidan hosil bo'ladi, ammo boshqa kombinatsiyalar mumkin (uglerod tsilindrli yarim sharlar). Qatlamli sharlar yoki ellipslar ("oolitik" yoki "piyoz" tuzilmalari) mumkin. Fullerenlarning asosiy vakili molekulalarining kattaligi 1 nm, eritmada molekulalar Broun zarrasi xossalariga ega;
· Uglerod nanotubalari. Ular turli yo'nalishlarda o'ralgan va uchlari to'rlangan uglerod yarim sharlari bilan yopilgan grafit tekisliklaridan hosil bo'ladi. Bunday "grafit" nanotubalar bir qavatli va ko'p qatlamli bo'lishi mumkin. Ikkinchisini oksidlanish va qirqish orqali bir qatlamli qatlamlarga aylantirish mumkin. Uglerodli nanotubalarda shoxchalar va burmalar bo'lishi mumkin. Bunday holda ular o'zlarining dastlabki "grafit" tuzilishini yo'qotadilar va "grafit" deb nomlanmaydilar. Bir devorli nanotubalarning diametri 1 dan 10 nm gacha va uzunligi 100-1000 nm yoki undan ko'p, ko'p qatlamlilar esa diametri va uzunligi 10-100 baravar kattaroqdir. Qattiq jismlar nanotuba to'plamlaridan yoki kollinear (lekin qisqaroq) shakllanishlardan hosil bo'lishi mumkin;
· To'ldirilgan fullerenlar (endo-derivativlar). To'ldirish inert yoki boshqa gazlarning molekulalari, kichik organik va noorganik molekulalar, metall atomlari (ishqoriy, ishqoriy er, lantanidlar va boshqalar) bo'lishi mumkin. Bunday hosilalarni olishdagi qiyinchiliklarga va past rentabellikka qaramay, ularning o'ziga xos xususiyatlari ularning sintezi va mumkin bo'lgan qo'llanilishini o'rganishni talab qiladi. Bu hosilalar, ko'pincha, metallarga nisbatan juda past ionlanish potentsialiga ega va, ko'rinishidan, metall xususiyatlarga ega;
· To'ldirilgan uglerod nanotubalari. Yuqoridagilarga qo'shimcha ravishda, to'ldirish uchun kichikroq diametrli fullerenlardan foydalanish mumkin;
· Noorganik nanotubalar (va boshqalar).Patent adabiyoti va fullerenga o'xshash materiallarning ilovalari juda xilma-xildir. Fullerenga o'xshash materiallar kimyoviy qarshilik, yuqori quvvat, qattiqlik, qattiqlik, issiqlik o'tkazuvchanligi va (ehtimol, eng muhimi) elektr o'tkazuvchanligi kabi bir qator ajoyib xususiyatlarga ega. Molekulyar simmetriyaning nozik xususiyatlariga ko'ra, fullerenlar va nanotubalar dielektriklar, yarim o'tkazgichlar bo'lishi mumkin, metall o'tkazuvchanlikka va yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlikka ega. Bu xususiyatlar ularning nano o'lchovli geometriyasi bilan birgalikda ularni idealga yaqin, hatto noyob bo'lgan elektr simlari, o'ta o'tkazuvchan birikmalar yoki to'g'ri ravishda molekulyar elektronika deb atash mumkin bo'lgan butun qurilmalarni yaratish uchun materiallarga aylantiradi. Turli sxemalardagi elementlarning kimyoviy birikmasi fullerenning xossalari bilan qulay bo'lib, u +6 dan -6 gacha ionlar hosil qilishi va turli matritsalarda donorlar, akseptorlar, erkin radikallar va ionlar bilan bog'lanishi mumkin. Fullerenlar, shuningdek, ma'lumotni femtosekundli optik tolali uzatish uchun molekulyar optoelektronika vositalarini yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Elektron nurlar yoki ionlashtiruvchi ta'sir ostida fullerenlarning polimerizatsiyasi qarshiliklarning yangi avlodini olish imkonini beradi.Uglerod nanotubalari skanerlovchi prob mikroskoplarida va dala emissiya displeylarida, yuqori quvvatli kompozit materiallarda, qisqa nanotuba davrlari bo'lgan elektron qurilmalarda, manipulyatsiya qilingan va yig'ilganda igna tirgaklari sifatida ishlatiladi. Fulleren materiallarining molekulyar tabiati ushbu elementlarni foydali tuzilmalarga, materiallarga va, ehtimol, molekulyar elektron qurilmalarga yig'ish uchun kimyoviy strategiyani ishlab chiqishga imkon beradi.