Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

ìîæíûé èçîëèðîâàííûé õàðàêòåð ïåðâûõ è îáÿçàòåëüíî ñîâîêóï-

íûé âèä ïîñëåäíèõ (ïîðîøîê  ýòî ñîâîêóïíîñòü íàõîäÿùèõñÿ â

ñîïðèêîñíîâåíèè èíäèâèäóàëüíûõ òâåðäûõ ÷àñòèö íåáîëüøèõ ðàç-

ìåðîâ (îò 0,001 äî 10

ìêì)). Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî íàíî÷àñòèöû ñ óìåíü-

øåíèåì ðàçìåðà ïåðåõîäÿò â êëàñòåðû, ñîäåðæàùèå îò 10 äî íå-

ñêîëüêèõ òûñÿ÷ àòîìîâ (ïî ðàçíûì äàííûì, ïðèìåðíî äî 2000

10 000). Ïîëàãàþò òàêæå, ÷òî äëÿ êëàñòåðîâ, â îòëè÷èå îò êðèñòàë-

ëè÷åñêèõ ÷àñòèö, õàðàêòåðíà ïîòåðÿ òðàíñëÿöèîííîé ñèììåòðèè.

Ê íàíî÷àñòèöàì ñåé÷àñ îòíîñÿò è ïîëóïðîâîäíèêîâûå êâàíòîâûå

òî÷êè, è ïîëèìåðíûå äåíäðèìåðû, êðàòêàÿ õàðàêòåðèñòèêà êîòî-

ðûõ áóäåò äàíà â ãë. 2.

Â äàëüíåéøåì îñíîâíîå âíèìàíèå áóäåò óäåëåíî êîíñîëèäèðî-

âàííûì íàíîìàòåðèàëàì. Èìåííî äëÿ ýòèõ îáúåêòîâ ê íàñòîÿùåìó

âðåìåíè ïîëó÷åíà îáøèðíàÿ è äîâîëüíî ñèñòåìàòèçèðîâàííàÿ èí-

ôîðìàöèÿ. Ñâåäåíèÿ î äðóãèõ ðàçíîâèäíîñòÿõ íàíîìàòåðèàëîâ, âêëþ-

÷àÿ íàíî÷àñòèöû è íàíîïîðîøêè, èñ÷åðïûâàþòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî

äàííûìè î ñèíòåçå è õèìè÷åñêèõ è ôèçè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèêàõ

(ñì., íàïðèìåð, [6, 13, 16]), ïîýòîìó îíè áóäóò èçëîæåíû â îãðà-

íè÷åííîì îáúåìå. Òåðìèíû «íàíîïîðîøêè» è «óëüòðàäèñïåðñíûå

ïîðîøêè» äàëåå áóäóò èñïîëüçîâàòüñÿ êàê ñèíîíèìû.

Êîíòðîëüíûå âîïðîñû

1. Äàéòå îïðåäåëåíèå ïîíÿòèÿ «íàíîòåõíîëîãèÿ».

2. Â ÷åì ñîñòîèò ìåæäèñöèïëèíàðíîñòü íàíîòåõíîëîãèè êàê íàïðàâëå-

íèÿ è êàêîâî åå çíà÷åíèå äëÿ íàó÷íî-òåõíè÷åñêîãî ïðîãðåññà?

3. Ïåðå÷èñëèòå ïðèîðèòåòíûå íàïðàâëåíèÿ ðàçâèòèÿ íàíîòåõíîëîãèè.

4. Îõàðàêòåðèçóéòå îñíîâíûå ðàçíîâèäíîñòè íàíîìàòåðèàëîâ.

5. Êàêèìè ðàçìåðàìè çåðåí (ñëîåâ, âêëþ÷åíèé, ïîð) õàðàêòåðèçóþòñÿ

íàíîìàòåðèàëû?

6. Â ÷åì ñõîäñòâî è ðàçëè÷èå êëàñòåðîâ, íàíî÷àñòèö è íàíîïîðîøêîâ?

Îñíîâíàÿ ëèòåðàòóðà

1. Àíäðèåâñêèé Ð. À. Íàíîìàòåðèàëû: êîíöåïöèÿ è ñîâðåìåííûå ïðîáëå-

ìû // Ðîññèéñêèé õèìè÷åñêèé æóðíàë.  2002.  Ò. 46.  ¹ 5.  Ñ. 5056.

2. Áó÷à÷åíêî À. Ë. Íàíîõèìèÿ  ïðÿìîé ïóòü ê âûñîêèì òåõíîëîãèÿì //

Óñïåõè õèìèè.  2003.  Ò. 72.  ¹ 5.  Ñ. 419 437.

3. Âàëèåâ Ð. Ç., Àëåêñàíäðîâ È.Â. Íàíîñòðóêòóðíûå ìàòåðèàëû, ïîëó-

÷åííûå èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèåé.  Ì.: Ëîãîñ, 2000. 

272 ñ.

4. Ãîëîâèí Þ. È. Ââåäåíèå â íàíîòåõíîëîãèþ.  Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå-1,

2003.  112 ñ.

5. Ãóñåâ À. È., Ðåìïåëü À.À. Íàíîêðèñòàëëè÷åñêèå ìàòåðèàëû.  Ì.:

ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2000.  224 ñ.

6. Äåìèõîâñêèé Â. ß., Âóãàëüòåð Ã.À. Ôèçèêà êâàíòîâûõ íèçêîðàçìåð-

íûõ ñòðóêòóð.  Ì.: Ëîãîñ, 2000.  248 ñ.

7. Ëàõíî Â.Ä. Êëàñòåðû â ôèçèêå, õèìèè, áèîëîãèè.  Èæåâñê: ÍÈÖ

«Ðåãóëÿðíàÿ è õàîòè÷åñêàÿ äèíàìèêà», 2001.  256 ñ.

8. Ìîðîõîâ È. Ä., Òðóñîâ Ë.È., Ëàïîâîê Â.Í. Ôèçè÷åñêèå ÿâëåíèÿ â óëü-

òðàäèñïåðñíûõ ñðåäàõ.  Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1984.  224 ñ.

9. Ìîðîõîâ È. Ä., Òðóñîâ Ë. È., ×èæèê Ñ.Ï. Óëüòðàäèñïåðñíûå ìåòàëëè-

÷åñêèå ñðåäû.  Ì.: Àòîìèçäàò, 1977.  264 ñ.

10. Íàíîòåõíîëîãèÿ â áëèæàéøåì äåñÿòèëåòèè. Ïðîãíîç íàïðàâëåíèÿ

èññëåäîâàíèé / Ïîä ðåä. Ì. Ðîêî, Ð. Ñ. Âèëüÿìñà, Ï.Àëèâèñàòîñà; Ïåð. ñ

àíãë. ïîä ðåä. Ð.À.Àíäðèåâñêîãî.  Ì.: Ìèð, 2002.  292 ñ.

11. Íîñêîâà Í.È., Ìóëþêîâ Ð. Ð. Ñóáìèêðîêðèñòàëëè÷åñêèå è íàíî-

êðèñòàëëè÷åñêèå ìåòàëëû è ñïëàâû.  Åêàòåðèíáóðã: Óðàëüñêîå îòäåëå-

íèå ÐÀÍ, 2003.  279 ñ.

12. Ïîìîãàéëî À.Ä., Ðîçåíáåðã À.Ñ., Óôëÿíä È. Å. Íàíî÷àñòèöû ìåòàëëîâ

â ïîëèìåðàõ.  Ì.: Õèìèÿ, 2000.  672 ñ.

13. Ñåðãååâ Ã. Á. Íàíîõèìèÿ.  Ì.: Èçä-âî ÌÃÓ, 2003.  288 ñ.

14. Ñòðóêòóðà è ñâîéñòâà ìàëûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ÷àñòèö / È.Ä.Ìîðî-

õîâ, Â. È. Ïåòèíîâ, Â.Ô.Ïåòðóíèí è äð. // Óñïåõè ôèçè÷åñêèõ íàóê. 

1981.  Ò. 133.  ¹ 4.  Ñ. 653692.

15. Ôåéíìàí Ð. Âíèçó ïîëíûì ïîëíî ìåñòà: ïðèãëàøåíèå â íîâûé ìèð

ôèçèêè // Õèìèÿ è æèçíü.  2002.  ¹ 12.  Ñ. 2026.

16. Ôèçèêà íàíîðàçìåðíûõ ñèñòåì / À.ß.Øèê, Ë.Ã.Áàêóåâà, Ñ.Ô. Ìó-

ñèõèí, Ñ.À.Ðûêîâ; Ïîä ðåä. À. ß. Øèêà.  ÑÏá.: Íàóêà, 2001.  160 ñ.

17. Ôèçèêîõèìèÿ óëüòðàäèñïåðñíûõ ñðåä / Ïîä ðåä. È. Â.Òàíàíàåâà. 

Ì.: Íàóêà, 1987.  256 ñ.

18. Õàððèñ Ï. Óãëåðîäíûå íàíîòðóáû è ðîäñòâåííûå ñòðóêòóðû. Íîâûå

ìàòåðèàëû XXI âåêà / Ïåð. ñ àíãë. ïîä ðåä. Ë.À. ×åðíîçàòîíñêîãî.  Ì.:

Òåõíîñôåðà, 2003.  336 ñ.

Äîïîëíèòåëüíàÿ ëèòåðàòóðà

19. Ïîëó÷åíèå ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî íèêåëÿ ñ ïîâûøåííîé òâåðäî-

ñòüþ ïóòåì ïðåññîâàíèÿ óëüòðàäèñïåðñíûõ ïîðîøêîâ / Å. Í. ßêîâëåâ,

Ã. Ì.Ãðÿçíîâ, Â. È. Ñåðáèí è äð. // Ïîâåðõíîñòü. Ôèçèêà, õèìèÿ, ìåõà-

íèêà.  1983.  ¹ 4.  Ñ. 138141.

20. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure //

Acta Materialia.  2000.  V. 48.  N 1.  Ð. 1 29.

21. Nanomaterials. Synthesis, Properties and Applications / Eds A.S. Edelstein,

R.C.Cammarata.  Bristol: Institute of Physics Publishing, 1998.  596 p.

ÃËÀÂÀ 2

ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÍÀÍÎÑÒÐÓÊÒÓÐÛ

2.1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà

Ñâîéñòâà íàíîìàòåðèàëîâ, â òîì ÷èñëå ýêñïëóàòàöèîííûå õà-

ðàêòåðèñòèêè, îïðåäåëÿþòñÿ èõ ñòðóêòóðîé; èçó÷åíèå ïîñëåäíåé

ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç âàæíûõ çàäà÷ íàíîñòðóêòóðíîãî ìàòåðèàëîâå-

äåíèÿ. Âîñïîëüçóåìñÿ êëàññèôèêàöèåé Ã. Ãëåéòåðà, ÷òîáû îõàðàê-

òåðèçîâàòü îñíîâíûå òèïû ñòðóêòóð íåïîëèìåðíûõ íàíîìàòåðèàëîâ

(òàáë. 2.1) [2, 15].

Ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó è ðàñïðåäåëåíèþ ôàç ìîæíî âûäå-

ëèòü ÷åòûðå òèïà ñòðóêòóðû: îäíîôàçíûå, ñòàòèñòè÷åñêèå ìíîãî-

ôàçíûå ñ èäåíòè÷íûìè è íåèäåíòè÷íûìè ïîâåðõíîñòÿìè ðàçäåëà

è ìàòðè÷íûå ìíîãîôàçíûå. Òàêæå âûäåëÿþò òðè òèïà ñòðóêòóðû

Òàáëèöà 2.1

Êëàññèôèêàöèÿ êîíñîëèäèðîâàííûõ íàíîìàòåðèàëîâ ïî ñîñòàâó,

ðàñïðåäåëåíèþ è ôîðìå ñòðóêòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ

Ðèñ. 2.1. Ìèêðîôîòîãðàôèè íàíîñòðóêòóð [1, 2]:

à  êîìïàêò Pd; á  êîìïàêò TiN; â  èçëîì ïëåíêè TiN; ã  ïîâåðõíîñòü

ïëåíêè TiN; ä  ìíîãîñëîéíàÿ ïëåíêà (ñâåðõðåøåòêà) Mo V; å  çàêàëåííûé

èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ ñïëàâ Al Pb (10 %); æ, ç  ñîîòâåòñòâåííî ÿ÷åèñòàÿ è

äåíäðèòíî-ÿ÷åèñòàÿ ñòðóêòóðà ñïëàâà Fe Si, çàêàëåííîãî èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ

ïî ôîðìå: ïëàñòèí÷àòàÿ, ñòîëá-

÷àòàÿ è ñîäåðæàùàÿ ðàâíîîñíûå

âêëþ÷åíèÿ. Ýòà êëàññèôèêàöèÿ

ó÷èòûâàåò âîçìîæíîñòü ñåãðåãà-

öèé íà ìåæêðèñòàëëèòíûõ ãðà-

íèöàõ (èäåíòè÷íûå è íåèäåí-

òè÷íûå ïîâåðõíîñòè ðàçäåëà).

Îäíàêî ðåàëüíîå ðàçíîîáðàçèå

ñòðóêòóðíûõ òèïîâ ìîæåò áûòü

è áîëåå øèðîêèì çà ñ÷åò ñìå-

øàííûõ âàðèàíòîâ, íàëè÷èÿ ïî-

ðèñòîñòè, òðóá÷àòûõ è ëóêîâè÷-

íûõ ñòðóêòóð, ïîëèìåðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ è ò.ä. Íàèáîëåå ðàñïðî-

ñòðàíåííûìè ÿâëÿþòñÿ îäíî- è ìíîãîôàçíûå ìàòðè÷íûå è ñòàòè-

ñòè÷åñêèå îáúåêòû, ñòîëá÷àòûå è ìíîãîñëîéíûå ñòðóêòóðû; ïî-

ñëåäíèå õàðàêòåðíû â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ äëÿ ïëåíîê.

Íà ðèñ. 2.1, 2.2 ïîêàçàíû òèïè÷íûå ñòðóêòóðû êîíñîëèäèðî-

âàííûõ íàíîìàòåðèàëîâ. Ýòè ñíèìêè ïîëó÷åíû ñ ïîìîùüþ âûñî-

êîðàçðåøàþùèõ è îáû÷íûõ ïðîñâå÷èâàþùèõ ýëåêòðîííûõ ìèê-

ðîñêîïîâ (ÏÝÌ) (ðèñ. 2.1, à, ä ç; ðèñ. 2.2), âûñîêîðàçðåøàþùåãî

ñêàíèðóþùåãî ýëåêòðîííîãî ìèêðîñêîïà (ðèñ. 2.1, á, â) è àòîìíî-

ñèëîâîãî ìèêðîñêîïà (ðèñ. 2.1, ã) ñ óâåëè÷åíèåì â 20 0003 500 000

ðàç (ñì. ïðèë. 46). Ñòîëá÷àòàÿ è ïëàñòèí÷àòàÿ ñòðóêòóðû ïëåíîê

ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.1, âä; îäíîôàçíûå ñòðóêòóðû  íà ðèñ.

2.1, à  ã, æ; ìíîãîôàçíûå  íà ðèñ. 2.1, ä, å, ç; ðèñ. 2.2.

Â öåëîì äëÿ ñòðóêòóðû íàíîìàòåðèàëîâ õàðàêòåðíî îáèëèå ïî-

âåðõíîñòåé ðàçäåëà (ìåæçåðåííûõ ãðàíèö è òðîéíûõ ñòûêîâ 

ëèíèé âñòðå÷è òðåõ çåðåí).

Íà ðèñ. 2.3, à ïîêàçàíà ñõåìà òðîéíîãî ñòûêà, îáðàçîâàííîãî

çåðíàìè â âèäå òåòðàýäðè÷åñêèõ äîäåêàýäðîâ; íà ðèñ. 2.3, á ïðåä-

ñòàâëåíà çàâèñèìîñòü îáùåé äîëè ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà, à òàêæå

äîëè ñîáñòâåííî ìåæçåðåííûõ ãðàíèö è äîëè òðîéíûõ ñòûêîâ îò

ðàçìåðà çåðåí. Ãðàôèê íà ðèñ. 2.3, á ïîñòðîåí íà îñíîâàíèè ïðî-

ñòûõ ãåîìåòðè÷åñêèõ ñîîáðàæåíèé. Òàê, îáùàÿ äîëÿ ïîâåðõíîñòåé

ðàçäåëà ñîñòàâëÿåò

ï.ð

= 1 - [(L - s)/L]

~ 3s/L,

äîëÿ ñîáñòâåííî ìåæçåðåííûõ ãðàíèö

ì.ã

= [3s(L - s)

]/L

Ðèñ. 2.2. Ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè-

÷åñêîå èçîáðàæåíèå êâàíòîâûõ òî-

÷åê InGaAs (à), ñôîðìèðîâàííûõ íà

ïîâåðõíîñòè ýïèòàêñèàëüíûõ ñëîåâ

GaAs (á ) [8]

è ñîîòâåòñòâåííî äîëÿ òðîéíûõ ñòûêîâ

ò.ñ

= V

ï.ð

- V

ì.ã

Çäåñü

L  ðàçìåð çåðíà; s  øèðèíà ãðàíèöû (ïðèãðàíè÷íîé çîíû).

Èç äàííûõ ðèñ. 2.3, á ñëåäóåò, ÷òî ñóùåñòâåííàÿ äîëÿ ïîâåðõ-

íîñòåé ðàçäåëà (íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ) îòâå÷àåò ðàçìåðó çåðåí

L < 100 íì; ïðè L £ 10 íì äîëÿ V

ï.ð

ñîñòàâëÿåò óæå íåñêîëüêî

äåñÿòêîâ ïðîöåíòîâ, ïðè÷åì â ýòîì èíòåðâàëå çíà÷åíèé L äîëÿ

òðîéíûõ ñòûêîâ ñòðåìèòåëüíî ðàñòåò. Äîëÿ ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà

â îáùåì îáúåìå ìàòåðèàëà ïðèáëèçèòåëüíî ðàâíà 3s/L, ãäå ïðè

s » 1 íì äîëÿ V

ï.ð

= 50 % äîñòèãàåòñÿ ïðè L » 6 íì.

Òàêèì îáðàçîì, åñëè òâåðäîå òåëî ñîñòîèò èç êðèñòàëëèòîâ

ðàçìåðîì íåñêîëüêî íàíîìåòðîâ (< 10 íì), òî äîëÿ ïîâåðõíîñòåé

ðàçäåëà èëè äîëÿ îáëàñòåé ñ ðàçóïîðÿäî÷åííîé ñòðóêòóðîé âåñüìà

âåëèêà.

Õîòÿ äàííûå ðèñ. 2.3, á äàþò ëèøü ïðèáëèçèòåëüíóþ îöåíêó,

ïîñêîëüêó ïîëó÷åíû ñ èñïîëüçîâàíèåì ãðóáûõ ìîäåëåé, íî, â ïðèí-

öèïå, îíè ïðàâèëüíî õàðàêòåðèçóþò äîëþ ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà â

ñòðóêòóðå íàíîìàòåðèàëîâ. Ðîñò ýòîé äîëè ñ óìåíüøåíèåì ðàçìå-

ðà çåðåí  îäèí èç ôàêòîðîâ, îïðåäåëÿþùèõ íåðàâíîâåñíîå ñî-

ñòîÿíèå íàíîìàòåðèàëîâ çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ èçáûòî÷íîé ñâî-

áîäíîé ïîâåðõíîñòíîé ýíåðãèè. Îòìåòèì òàêæå, ÷òî çíà÷åíèÿ

ìåæôàçíîé è ãðàíè÷íîé ïîâåðõíîñòíîé ýíåðãèè íàíîìàòåðèàëîâ

ìîãóò îòëè÷àòüñÿ îò òàêîâûõ äëÿ îáû÷íûõ êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêèõ

ìàòåðèàëîâ. Íàäåæíûå îïûòíûå äàííûå îá ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàê-

òåðèñòèêàõ ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà â íàíîìàòåðèàëàõ ïðàêòè÷åñêè

îòñóòñòâóþò.

Ðèñ. 2.3. Ñõåìà òðîéíîãî ñòûêà (à) è âëèÿíèå ðàçìåðà çåðíà (á ) íà îá-

ùóþ äîëþ ïîâåðõíîñòåé ðàçäåëà (1 ), äîëþ ìåæçåðåííûõ ãðàíèö (2 ) è

òðîéíûõ ñòûêîâ (3 ) ïðè s = 1 íì [23]

Ñëåäóåò òàêæå èìåòü â âèäó,

÷òî äëÿ ïëåíîê (â òîì ÷èñëå

ñòîëá÷àòûõ è ìíîãîñëîéíûõ)

íóæíî ïðèíèìàòü âî âíèìàíèå

íå òîëüêî èõ îáùóþ òîëùèíó, íî

è äèàìåòð ñòîëáîâ è òîëùèíó îò-

äåëüíûõ ñëîåâ, à òàêæå íàëè÷èå

íàíîçåðåí âíóòðè ïëåíîê, ñòîë-

áîâ è ñëîåâ.

Íà ðèñ. 2.4 ïîêàçàíî âëèÿíèå

ïðîäîëæèòåëüíîñòè îñàæäåíèÿ

ïëåíîê CdS èç àììèà÷íîãî ðàñ-

òâîðà, ñîäåðæàùåãî àöåòàò êàä-

ìèÿ, òèîìî÷åâèíó è òðèýòîêñè-

àìèí, ïðè òåìïåðàòóðå 75 °Ñ íà

òîëùèíó ïëåíêè è ðàçìåð çåðåí.

Ñîãëàñíî äàííûì ðèñ. 2.4, ïî ñóùåñòâó, âñå ïëåíêè (äàæå òîëùè-

íîé áîëåå 100 íì) ÿâëÿþòñÿ íàíîñòðóêòóðíûìè. Äëÿ ïëåíîê AlN

è TiN, ïîëó÷åííûõ ñîîòâåòñòâåííî ýëåêòðîííîëó÷åâûì è äóãî-

âûì ìåòîäîì, êðèñòàëëèòû ðàçìåðîì ïðèìåðíî 100 íì íàáëþäà-

ëèñü â ïëåíêàõ òîëùèíîé îêîëî 700 íì.

Íàèáîëåå ïîëíî îñîáåííîñòè ñòðóêòóðû íàíîìàòåðèàëîâ èçó-

÷åíû ïðèìåíèòåëüíî ê êîíñîëèäèðîâàííûì îáúåêòàì è äàëåå áó-

äóò îáñóæäàòüñÿ â îñíîâíîì ýòè îáúåêòû, õîòÿ è îñòàëüíûì òè-

ïàì íàíîìàòåðèàëîâ òàêæå áóäåò óäåëåíî âíèìàíèå.

Îñíîâíûå òåõíîëîãè÷åñêèå ïðèåìû ïîëó÷åíèÿ êîíñîëèäèðî-

âàííûõ íàíîìàòåðèàëîâ ïåðå÷èñëåíû â òàáë. 2.2. Çäåñü ïðèâåäåíû

òàêæå íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëüçóåìûå âàðèàíòû ýòèõ ìåòîäîâ. Ðàçó-

ìååòñÿ, ýòà êëàññèôèêàöèÿ óñëîâíà, ïîñêîëüêó ãðàíèöû ìåæäó

îòäåëüíûìè ìåòîäàìè, êàê ïðàâèëî, ðàçìûòû. Òàê, ïðè ïðîâåäå-

íèè èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè èëè ïðè íàíåñåíèè

ïîêðûòèé ÷àñòî â âèäå èñõîäíîãî ñûðüÿ èñïîëüçóþò ïîðîøêè,

ò. å. ýòè ìåòîäû ìîãóò áûòü îòíåñåíû è ê ïîðîøêîâîé òåõíîëîãèè.

Ñòîèò òàêæå óïîìÿíóòü òàêèå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ íàíîñòðóêòóð,

êàê îáëó÷åíèå áîëüøèìè äîçàìè íåéòðîíîâ è èîíîâ, èíòåíñèâ-

íóþ äåôîðìàöèþ ïðè òðåíèè è äð.

Ïîíÿòíî, ÷òî êàæäûé ìåòîä èìååò ñâîè ïðåèìóùåñòâà è íåäî-

ñòàòêè. Íàïðèìåð, ïðèåìû ïîðîøêîâîé òåõíîëîãèè íå âñåãäà îáåñ-

ïå÷èâàþò ïîëó÷åíèå áåñïîðèñòûõ íàíîìàòåðèàëîâ, îäíàêî îíè

áîëåå óíèâåðñàëüíû ïðèìåíèòåëüíî ê èçãîòîâëåíèþ èçäåëèé ðàç-

ëè÷íîãî ðàçìåðà è ñîñòàâà. Ïðèìåíåíèå êîíòðîëèðóåìîé êðèñòàë-

ëèçàöèè èç àìîðôíîãî ñîñòîÿíèÿ, îáåñïå÷èâàþùåé ïîëó÷åíèå

áåñïîðèñòûõ îáðàçöîâ, îãðàíè÷åíî ñîñòàâàìè, äîñòóïíûìè äëÿ

àìîðôèçàöèè. Ïåðå÷èñëåííûå â òàáë. 2.2 ìåòîäû íå êîíêóðèðóþò,

à ñêîðåå äîïîëíÿþò äðóã äðóãà, ñóùåñòâåííî ðàñøèðÿÿ ñïåêòð

ñòðóêòóð, èõ ñâîéñòâ è ïðàêòè÷åñêèõ ïðèëîæåíèé. Ðàçíîîáðàçèå

Ðèñ. 2.4. Âëèÿíèå ïðîäîëæèòåëüíî-

ñòè îñàæäåíèÿ ïëåíîê CdS íà òîë-

ùèíó ïëåíêè (1 ) è ðàçìåð çåðåí

(2 ) [20]

ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ íàíîìàòåðèàëîâ  îäíî èç äîñòîèíñòâ ýòèõ

îáúåêòîâ. Ïîäðîáíî äåòàëè òåõíîëîãèè íàíîìàòåðèàëîâ èçëîæåíû

â ãë. 4.

2.2. Çåðíà, ñëîè, âêëþ÷åíèÿ è ïîðû â êîíñîëèäèðîâàííûõ

ìàòåðèàëàõ

Îñíîâíîé ýëåìåíò ñòðóêòóðû êîíñîëèäèðîâàííûõ íàíîìàòå-

ðèàëîâ  çåðíî èëè êðèñòàëëèò (ýòè ïîíÿòèÿ äàëåå èñïîëüçóþòñÿ

êàê ñèíîíèìû). Ïî ñóùåñòâó, ýòî îáëàñòè êîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ

ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé èëè íåéòðîíîâ. Íà ðåíòãåíîãðàììàõ ìåäè,

ïîäâåðãíóòîé èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè êðó÷åíèåì

ïðè âûñîêîì äàâëåíèè è ðàâíîêàíàëüíûì óãëîâûì ïðåññîâàíè-

Ìåòîä Âàðèàíò ìåòîäà Îáúåêòû

Ïîðîøêîâàÿ

òåõíîëîãèÿ

Ãàçîôàçíîå îñàæäåíèå è êîì-

ïàêòèðîâàíèå (ìåòîä Ãëåéòåðà).

Îáû÷íîå ïðåññîâàíèå è ñïåêà-

íèå.

Ýëåêòðîðàçðÿäíîå ñïåêàíèå.

Ãîðÿ÷àÿ îáðàáîòêà äàâëåíèåì

(ãîðÿ÷åå ïðåññîâàíèå, êîâêà,

ýêñòðóçèÿ)

Ìåòàëëû, ñïëà-

âû, ñîåäèíåíèÿ

Èíòåíñèâíàÿ

ïëàñòè÷åñêàÿ

äåôîðìàöèÿ

Äåôîðìàöèÿ êðó÷åíèåì ïðè

âûñîêèõ äàâëåíèÿõ.

Ðàâíîêàíàëüíîå óãëîâîå ïðåñ-

ñîâàíèå.

Îáðàáîòêà äàâëåíèåì ìíîãî-

ñëîéíûõ êîìïîçèòîâ.

Ôàçîâûé íàêëåï

Ìåòàëëû è ñïëà-

âû

Kîíòðîëèðóåìàÿ

êðèñòàëëèçàöèÿ

èç àìîðôíîãî

ñîñòîÿíèÿ

Kðèñòàëëèçàöèÿ ïðè îáû÷íîì

äàâëåíèè.

Kðèñòàëëèçàöèÿ ïðè ïîâû-

øåííîì äàâëåíèè

Àìîðôíûå âå-

ùåñòâà

Òåõíîëîãèÿ ïëå-

íîê è ïîêðûòèé

Õèìè÷åñêîå îñàæäåíèå èç ãà-

çîâîé ôàçû.

Ôèçè÷åñêîå îñàæäåíèå èç ãà-

çîâîé ôàçû.

Ýëåêòðîîñàæäåíèå.

Çîëü-ãåëü-òåõíîëîãèÿ

Ìåòàëëû, ñïëà-

âû, ñîåäèíåíèÿ

Òàáëèöà 2.2

Îñíîâíûå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ êîíñîëèäèðîâàííûõ íàíîìàòåðèàëîâ

åì, íàáëþäàåòñÿ çàìåòíîå óøèðåíèå ïèêîâ (ðèñ. 2.5). Èíòåãðàëü-

íàÿ øèðèíà ïèêîâ B

ìîæåò áûòü ðàññ÷èòàíà ïî ôîðìóëå

~ c/(Lcosq) + áe

1/2

tgq, (2.1)

ãäå c  äëèíà âîëíû; q  óãîë ÂóëüôàÁðýããà; áe

1/2

 ñðåäíå-

êâàäðàòè÷íàÿ äåôîðìàöèÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè (ìèêðîèñ-

êàæåíèÿ).

Èñêëþ÷èâ èíñòðóìåíòàëüíûå ôàêòîðû è âëèÿíèå ìèêðîèñêà-

æåíèé, èçìåðÿÿ øèðèíó ïèêîâ, ïîëó÷àþò ñâåäåíèÿ î ðàçìåðå êðè-

ñòàëëèòîâ â íàíîìàòåðèàëàõ. Îáû÷íî äëÿ îäíîôàçíûõ ñèñòåì òàêîé

ìåòîä äàåò èíôîðìàöèþ î ðàçìåðàõ êðèñòàëëîâ âïëîòü äî 2  3 íì.

Ðèñ. 2.5. Ðåíòãåíîãðàììû ìåäè [3]:

à  èñõîäíîå êðóïíîêðèñòàëëè÷åñêîå ñîñòîÿíèå; á, â  ïîñëå èíòåíñèâíîé ïëà-

ñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè ñîîòâåòñòâåííî êðó÷åíèåì ïðè âûñîêîì äàâëåíèè è ðàâ-

íîêàíàëüíûì ïðåññîâàíèåì

Äëÿ ðàçëè÷íûõ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ íàïðàâëåíèé ðàçìåð çåðåí

ìîæåò áûòü íåîäèíàêîâûì, ÷òî îòðàæàåò ðîëü òåêñòóðû, ò.å. ïðå-

èìóùåñòâåííî îðèåíòèðîâàííîãî ðàñïîëîæåíèÿ çåðåí. Ýòî îñî-

áåííî ÷àñòî íàáëþäàåòñÿ ïðè èíòåíñèâíîé ïëàñòè÷åñêîé äåôîð-

ìàöèè (íàïðèìåð, íà ðèñ. 2.5, á ïîêàçàíà òåêñòóðà á111ñ), à òàêæå

ïðè ïîëó÷åíèè ïëåíîê.

Íà ðèñ. 2.6 ïðèâåäåíû ðåíòãåíîãðàììû ïëåíîê TiN, ïîëó÷åí-

íûõ ìåòîäîì õèìè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ ïî ðåàêöèè

TiCl

+ NH

® TiN¯ + 4HCl

Âïîëíå î÷åâèäíî èçìåíåíèå ïðåèìóùåñòâåííîé îðèåíòàöèè

ïëåíî÷íûõ êðèñòàëëèòîâ â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû îñàæäå-

íèÿ è ñîîòíîøåíèÿ èñõîäíûõ êîìïîíåíòîâ ðåàêöèè.

Äëÿ íàíîñòðóêòóðíûõ îáðàçöîâ íèêåëÿ, ïîëó÷åííûõ ýëåêòðî-

îñàæäåíèåì, õàðàêòåðíû òåêñòóðû á111ñ è á200ñ.

Êðîìå ðåíòãåíîñòðóêòóðíîãî àíàëèçà (ÐÑÀ) âàæíóþ èíôîð-

ìàöèþ î ôîðìå è ðàçìåðå çåðåí äàþò ýëåêòðîííî-ìèêðîñêîïè-

÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ [5]. Âûñîêîå ðàçðåøåíèå ÏÝÌ âûÿâëÿåò òè-

ïè÷íóþ ïîëîñ÷àòóþ ñòðóêòóðó (òàê íàçûâàåìûé «ìóàðîâûé óçîð»

èç àòîìíûõ ïëîñêîñòåé), õàðàêòåðíóþ äëÿ êðèñòàëëè÷åñêîãî ñî-

ñòîÿíèÿ, õîòÿ îòäåëüíûå ó÷àñòêè ñ ðàçìûòûì èçîáðàæåíèåì è

íàðóøåíèåì ïîëîñ÷àòîñòè ìîæíî îòíåñòè ê àìîðôíûì îáëàñòÿì

(ñì. ðèñ. 2.1, à). Ó÷èòûâàÿ ìàëûé

ðàçìåð çåðåí â ýòèõ ïëåíêàõ (íå-

ñêîëüêî íàíîìåòðîâ) è ïðèíèìàÿ

âî âíèìàíèå äàííûå ðèñ. 2.3, à,

ìîæíî ïîëàãàòü, ÷òî äîëÿ ïîâåðõ-

íîñòåé ðàçäåëà, ãäå àòîìû íàõîäÿò-

ñÿ â ðàçóïîðÿäî÷åííîì ñîñòîÿíèè

(áëèçêîì ê àìîðôíîìó), ìîæåò

áûòü çíà÷èòåëüíîé, è íàëè÷èå

àìîðôíûõ ñîñòàâëÿþùèõ âïîëíå

çàêîíîìåðíî. Çåðíà ðàçìåðîì ìå-

íåå 12 íì, ïî âñåé âåðîÿòíîñòè,

äîëæíû èçîëèðîâàííî ðàñïîëàãàòü-

ñÿ â àìîðôíîé ìàòðèöå. Â êðèñòàë-

ëèòå ðàçìåðîì 1 íì, åñëè ïàðàìåòð

ðåøåòêè, êàê, íàïðèìåð, â ñëó÷àå

Ðèñ. 2.6. Ðåíòãåíîãðàììû ïîðîøêà íèò-

ðèäà òèòàíà TiN (à) è ïëåíîê TiN,

ïîëó÷åííûõ õèìè÷åñêèì îñàæäåíèåì

ïðè ñîîòíîøåíèè èñõîäíûõ êîìïî-

íåíòîâ M(TiCl

)/M(NH

) = 0,87 (á, â),

0,17 (ã) è òåìïåðàòóðå îñàæäåíèÿ Ò =

= 1100 (á), 1200 (â), 1400 (ã) °Ñ [17]