Учебно-методический комплекс по предмету наноэпитаксиальные слои и гетеросистемы Ташкент-2022 год. Данный учебный материал предназначен для магистров специальности «Нанотехнология полупроводниковых материалов»

8-Тема. Общие сведения о наноматериалах.

Такие термины как «нанометр», «наночастицы», «наноструктуры», «наноматериалы» и «нанотехнологии», в которых приставка «нано» означает миллиардную часть чего-нибудь, в научной литературе появились недавно. Один из самых древних примеров использования таких материалов – окрашивание стекла наночастицами металлов, технология получения которых известна еще с Древнего Египта. Несмотря на это, первая теоретическая работа, в которой был предложен способ возникновения окраски в таких стеклах, появилась лишь в 20 веке.

Рассмотрим, что означают термины «наноструктура» и «наноматериалы». Согласно международной конвенции IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) наночастицами считается все, что имеет размер от одного до ста нанометров. В последнее время это определение связано не с их размером, а с проявлением у них необычных свойств, отличающихся от свойств объёмной фазы, то есть сопоставляют размер наночастиц с корреляционным радиусом того или иного явления.
Наночастицы делят на: кластеры (или нанокристаллы) и собственно наночастицы – важные состояния конденсированной фазы. Кластеры – это частицы упорядоченного строения ( часто центросимметричные) размером 1 – 5 нм, которые содержат до 10⁴ атомов. А наночастицы – это собсвенно наночастицы размером 5 – 100 нм, состоящие из 10³ - 10⁸ атомов. Предполагается, что это плотно упакованные частицы с произвольной внешней формой и структурной организацией.
Наночастицы, имеющие размер менее 10 нм, являются системами с избыточной энергией и высокой химической активностью. Частицы размером около 1 нм почти без энергии активации вступают в процессы агрегации, которые ведут к образованию наночастиц металлов, и в реакции с другими химическими соединениями, приводящие к образованию веществ с новыми свойствами. Запасенная энергия таких объектов определяется нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Это может привести к возникновению необычных поверхностных явлений и реакций.
Получение наночастиц из атомов сопровождается двумя процессами: во-первых, формируются металлические ядра разного размера, во – вторых, происходит взаимодействие между частицами, ведущими к созданию из них ансамблей, представляющих наноструктуру.
Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на их основе трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.
Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это, в первую очередь, различные варианта механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.
Такое разделение методов является относительно условным, но отражает их особенность: получение наночастиц путем объединения отдельных атомов, или подход «снизу вверх», за которым ученые видят будущее нанотехнологий; и различные варианты диспергирования, или подход «сверху вниз». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера не ведет к качественным изменениям химических свойств.