Низкоразмерные системы-2: Физико-химия элементов и систем с низкоразмерным структурированием (получение, диагностика, применение новых материалов и структур)

Подождите немного. Документ загружается.

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«Г РОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

НИЗКОРАЗМЕРНЫЕ СИСТЕМЫ-2

ФИЗИКО-ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

С НИЗКОРАЗМЕРНЫМ СТРУКТУРИРОВАНИЕМ

(ПОЛУЧЕНИЕ, ДИАГНОСТИКА, ПРИМЕНЕНИЕ

НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР)

Сборник научных работ

Под редакцией С.А.Маскевича,

В.Ф.Стельмаха, А.К.Федотова

Гродно 2002

УДК 621.382-181.48+539.2

ББК 3844.1+В37

Н 61

Руководители группы рецензирования:

доктор технических наук, профессор В.А. Пилипенк о,

кандидат физико-ма тематических наук, доцент Н.А. Поклонский.

Низкоразмерные системы-2: Физико-химия элементов и

систем с низкоразмерным ст руктурированием (получение,

диагностика, применение новых материалов и структур): Сб. на уч.

работ / Под ред. С.А.Маскевича, В.Ф.Стельмаха, А.К. Федотова. –

Гродно: ГрГУ, 2002. – 167 c.

ISBN 985-417-415-8.

В сборник вошли результаты работ, выполнявшихся в 2001 году в вузах

респ ублики в рамках Межвузовской программы фундамента льных исследований

«Физико-химия элементов и систем с низкоразмерным ст руктурированием

(получение, диагностика, применение новых материалов и структур)». Данные

работы посвящены разработке принципов технологии получения и диагностики

материалов с низкоразмерным структурированием, изучению свойств

низкоразмерных структур, а также теории статистических и динамических

низкоразмерных систем.

Сборник может быть полезен научным сотрудникам, преподавателям, а

также аспирант ам и студентам физиче ских, химических и технических

факультетов университетов и других вузов.

УДК 621.382-181.48+539.2

ББК 3844.1+В37

Н 61

ISBN 985-417-415-8. © ГрГУ им. Я.Купалы, 2002

КОНЦЕПЦИЯ

Межвузовской программы фундаментальных исследований

«ФИЗИКО-ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

С НИЗКОРАЗМЕРНЫМ СТРУКТУРИРОВАНИЕМ

(ПОЛУЧЕНИЕ, ДИАГНО СТИКА, ПРИМЕНЕНИЕ

НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР)»

Низкоразмерные системы — 2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ

Одним из важных факторов экономического и социального

развития Беларуси является рост ее научно-технического потен-

циала. Признаваемый в настоящее время мировым сообществом

высокий уровень этого потенциала обусловлен как наличием раз-

витой научно-образовательной системы, так и сущ ествованием

многих наукоемких видов промышленности в республике. К числу

последних относятся в первую очередь т акие, как электронная и

оптоэлектронная отрасли, которые, без преувеличения, составля-

ют одну из основ наиболее высокотехнологической части научно-

технического потенциала. Эти от расли обеспечены необходимы-

ми научными и инженерно-техническими кадрами, а т акже

до статочно современным технологическим оборудованием. Рес-

публиканские предприятия электронной промышленности и соот-

ветствующие отраслевые НИИ, специализирующиеся в современ-

ной микро- и оптоэлектронике, к настоящему времени завершают

освоение элементов интегральных структур субмикронного диа-

пазона (менее 10

-6

метра). На ведущих предприятиях Беларуси

получены образцы и началось промышленное производство СБИС

с субмикронными размерами элементов. Поэтому естественно по-

лагать, что в течение не скольких ближайших десятилетий в Бела-

руси (как и во всех промышленно развитых странах мира) макси-

мальное развитие должна получить технология, осваивающая

диапазон размеров структурирования электронно-оптических эле-

ментов порядка 10

-9

-10

-7

метра.

Соответствующие прогнозы показывают, что к с ередине

XXI века использование методов традиционной нанотехнологии по-

зволит приблизиться к нанометровому диапазону размеров отдель-

ных электронно-оптических элементов, которые и будут состав-

лять основу электроники. В то же время ре зультаты выполнения

первого этапа программы «Низкоразмерные системы» в 1996-2000 г.,

а также данные исследований различных научных групп во всем

мире указывают на возможность реализации низкоразмерных эф-

фектов в объектах и системах, получаемых без использования

таких традиционной методов и приемов нанотехнологии, как мо-

лекулярно-лучевая эпитаксия, электронная литография, селектив-

ное химическое травление и др. К таким объектам в первую оче-

редь относятся способные к самоорганизации материалы, среды

и системы с наноразмерным структурированием, в самой приро-

де которых уже заложены свойства, характерные для низкораз-

мерных систем (НРС). Такие объекты либо существуют в приро-

де, либо получаются с помощью достаточно традиционных

технологических методов, часто на основе уже широко использу-

емых или известных веществ, материалов и сред.

Для дальнейшего прогресса в направлении создания элемен-

тов (структур) нанометрового диапазона размеров и систем на их

о снове требуются разработка и решение целого комплекса науч-

ных и научно-технических задач. К их числу относятся прежде

всег о следующие:

1. Необходимо превысить ныне достигнутый технологичес-

кий уровень создания низкоразмерных элементов и структур. Это

возможно лишь за счет скорейшего выхода на размеры структури-

рования в диапазоне 10

-8

–10

-7

метра и быстрого преодоления его.

Данная научно-техническая проблема должна быть решена в на-

чале третьего тысячелетия, если Беларусь хочет сохранить приня-

тую тенденцию развития в ней наукоемких мало сырьевых видов

промышленности.

2. Необходимо разработать новые технологии получения и

новые методы диагностики (исследования) материалов и сред раз-

ной природы и назначения, в низкоразмерном ст руктурировании

которых уже заложены свойства, характерные для низкоразмер-

ных систем. Речь идет прежде всего о таких материалах, как фу л-

лерены, проводящие полимеры и биополимеры, биомембраны,

ансамбли низкоразмерных элементов (молекул, атомных класте-

ров, субмикро- и нанокристаллов, пор и шероховатостей наномет-

ровых размеров и т.д.) в различных матрицах, сверхтонкие плен-

ки, нанотрубки и квантовые проволоки, квантовые ямы и др. Кроме

того, большой интерес представляют и традиционные материалы

современной электроники, внутри которых в процессе выращива-

ния либо путем различных внешних воздействий могут быть со-

зданы одиночные низкоразмерные элементы и структуры, а также

их ассоциации и ансамбли (ассоциаты точечных дефектов решет-

ки, нанопоры, треки высокоэнергетичных ионов, дислокационные

сетки и стенки и т.д.), в том числе со счетным количеством эле-

ментов. В таких НРС по-иному, чем в стандартных материалах,

протекают атомно-электронные процессы, обе спечивающие осо-

бые свойства указанных материалов и делающие их потенциаль-

но пригодными для создания новых поколений высокоинтегриро-

ванных сверхбыстродействующих устройств обработки, передачи

и хранения информации.

3. Особую роль в формировании свойств НРС как ансамблей

низкоразмерных элементов, играют границы раздела элемент —

матрица либо элемент — внешняя среда (интерфейс). Важность

проблемы интерфейса обусловлена как возрастанием их роли (по

сравнению с объемом элемента) по мере уменьшения размеров

элементов, так и в связи с особенностями строения границ разде-

ла вследствие атомной релаксации и реконструкции, а также на-

личия ненасыщенных (оборванных) связей. Поэтому особое зна-

чение должны иметь экспериментальные и теоретические

исследования атомных и электронных процессов на интерфейсе и

в его окре стности, которые и будут в значительной мере опреде-

лять функциональные свойства как отдельных низкоразмерных

элементов, так и их ансамблей.

4. Важным направлением современной технологии НРС яв-

ляется получение наполнителей и модификаторов с уникальны-

ми свойствами в виде нанокластерных структур. Наличие у кла-

стеров наномодификаторов устойчивого не скомпенсированного

заряда оказывает суще ственное влияние на механизмы их ст рук-

турообразования, строение, кинетику окислительно-восстанови-

тельных реакций, процессы массо-, тепло-, энергопереноса и т.д.

Зарядовые нанокластеры позволяют обе спечить до стижение си-

нергетических эффектов в модифицированных системах, в том

числе с различными диэлектрическими матрицами, которые не-

возможны при использовании традиционных подходов, сложив-

шихся в функциональном материаловедении. Несмотря на весь-

ма существенное научное и практическое значение, комплексные

исследования физико-химиче ских аспектов формирования ди-

электрических систем с зарядовыми нанокластерами в респуб-

лике не проводились.

5. Необходимо создать новую теоретическую базу описа-

ния электронно-атомных проце ссов, протекающих в низкораз-

мерных системах. Д ело в том , что физической базой описания

электронных процессов в современной электронике, имеющей

дело с размерами элементов не ниже микронных, является зон-

ная теория твердых тел. Однако в низкоразмерных системах, в

о собенности в материалах с низкоразмерным структурирова-

нием и элементах, размеры которых попадают в диапазон 10

-8

–

-7

метра, данная теория уже не может быть применена в прин-

ципе. В то же время квантовая теория изолированных атомов,

являющаяся о сновой для опис ания элементов нанометрового

диапазона (10

-10

–10

-9

метра), еще не может быть использована

для адекватного описания электронных проце ссов в НР С.

Целями данной программы являются

! Развитие физико-химических основ технологии получения

материалов и систем с низкоразмерным структурированием.

! Разработка новых методов исследования и диагностики ма-

териалов, сред и систем с низкоразмерным структурированием.

! Создание теоретической базы описания электронных и

атомных процессов в новых материалах и системах с низкораз-

мерным структурированием.

! Нахождение новых фундаментальных закономерностей,

определяющих формирование и свойства материалов и систем с

низкоразмерным структурированием и необходимых для создания

новых поколений высокоинтегрированных сверх быстродействую-

щих устройств обработки, передачи и хранения информации.

! Развитие учебно-научной базы для подготовки специалис-

тов в области физико-химии и технологии материалов и систем с

низкоразмерным стру ктурированием.

Необходимый научный задел по указанным направлениям

сделан учеными и препо давателями Белгосунив ерситета , Гроднен-

ског о госуниверситета, других вузов республики, научными кол-

лективами ряда лабораторий в институтах НАН Беларуси при ре-

ализации проектов, выполнявшихся по ряду респ убликанских и

международных программ в период с 1996 по 2000 г. Наибольшее

количе ство результатов по данному направлению в указанный

период получено при выполнении Межвузовской программы фун-

даментальных исследований «Низкоразмерные системы», а также

Межвузовской программы «Наноэлектроника», ряда проектов

БРФФИ и Международной программы INTAS, программы фун-

даментальных исследований НАНБ «Электроника», ряда других

ре спубликанских программ и программ НАНБ. Резу льтаты соот-

ветствующих исследований опубликованы в престижных между-

народных журналах, представлялись на многочисленных между-

народных конференциях, в том числе в приглашенных и пленар-

ных докладах белорусских ученых и высоко оценены мировым

научным сообществом. Они ст али основой для взаимовыгодной

научной кооперации со многими зарубежными организациями

через совместные международные проекты, в том числе в рамках

программ INTAS, NATO, фонда Volkswagen, фонда DAAD и др.

В проце ссе разработки проектов, выполнявшихся в рамках

первого этапа программы «Низкоразмерные системы» в 1996-

2000 г., получен ряд новых экспериментальных и теоретических

результатов, имеющих фундаментально е, принципиальное значе-

ние; разработ ан ряд новых технологий и методов получения и

диагностики материалов и систем с низкоразмерным структури-

рованием; обнаружен ряд новых явлений и эффектов в низкораз-

мерных системах; заложены основы учебно-научной базы для под-

готовки специа листов в области физико-химии и технологии

материалов и систем с низкоразмерным структурированием; из

ученых и преподавателей ряда кафедр, лабораторий и групп, ра-

ботающих в вузах республики, сформиров ан единый научный кол-

лектив, спо собный решать задачи развития физико-химии, техно-

логии, теории низкоразмерных систем и их промышленного

применения.

В основу формирования программы положен комплексно-

целевой подход, при котором предусматривается:

– определение основных целей и приоритетов в развитии те-

оретической базы описания и создания НРС;

– определение основных задач по созданию новых классов

материалов с низкоразмерным структурированием и новых типов

НРС, а также описывающих их свойства и поведение физико-ма-

тематических моделей;

– определение основных направлений развития технологии

создания НРС;

– определение основных направлений развития диагностики

и метрологии параметров НРС.

Такой подход, а также перечисленные выше наиболее прин-

ципиальные ре зультаты выполнения первого этапа программы в

области физк о-химии, технологии, диагностики и применения НРС

позволяют сформулировать основные направления дальнейших

экспериментальных и теоретических исследований, технологи-

ческих разработок, разработок новых методов исследования и ди-

агностики НР С. На втором этапе (2001-2005 годы) выполнения

программы «Низкоразмерные системы — 2» предполагается про-

водить исследования по следующим направлениям:

– физико-химические свойства новых материалов и систем с

низкоразмерным структурированием;

– разработка физико-химических принципов и технологий

получения новых классов материалов с низкоразмерным структу-

рированием, ансамблей низкоразмерных элементов и структур;

– исследование влияния границ раздела низкоразмерных эле-

ментов с матрицей либо внешней средой на электронно-атомные

процессы в низкоразмерных элементах и системах и формирова-

ние свойств последних;

– исследование физико-химических свойств диэлектрических

сред с зарядовыми нанокластерами;

– разработка фундаментальных принципов теории низкораз-

мерных систем на основе концепции конечной пространственно-

временной локализации электронов и фотонов;

– разработка теоретических основ и экспериментальное ис-

следование критического поведения низкоразмерных элементов

при изменении их концентрации в ансамбле и внешних условий;

– теоретическое и экспериментальное исследование кванто-

во-размерных эффектов в одиночных наноразмерных элементах и

их ансамблях.

При реализации второго этапа программы ожидается полу-

чение следующих основных результатов:

! будут разработаны фундаментальные основы теории низ-

коразмерных систем на основе концепции конечной пространствен-

но-временной локализации электронов и фотонов;

! будут разработаны научные основы технологии получения

и диагностики новых классов материалов с низкоразмерным струк-

турированием, ансамблей низкоразмерных элементов и структур;

! будут разработаны новые методы исследования и исследо-

вано влияние границ раздела элемент — матрица либо элемент —

внешняя среда на формирование электронно-атомных свойств

низкоразмерных элементов и систем;

! будут разработаны учебные программы и лабораторные

спецпрактикумы разного уровня для подготовки специа листов в

области физико-химии и технологии низкоразмерных (в том чис-

ле наноразмерных) элементов, структур и систем.

2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММЫ

Основными принципами построения программы являются

комплексность и системность подходов, обеспечивающих выпол-

нение ее разделов и тем самым создание теории НРС, физико-хи-

мических основ технологии НРС, принципов диагностики и мет-

рологии НРС, комплекса рекомендаций электронно-оптическим и

другим отраслям промышленности в области нанотехнологии и

наноэлектроники, а также формирование прогноза перспектив и

направлений развития нанотехнологии и наноэлектроники для

Республики Беларусь.

Данная программа не имеет ограничивающего срока по вы-

полнению, по скольку решение разрабатываемых в ней проблем

НРС согласно имеющимся прогнозам будет непрерывно осуще-

ствляться в течение ближайших 30-50 лет. Задания и темы, а

также некоторые разделы программы устанавливаются на оп-

ределенные периоды и сроки (3-5 лет). По мере необходимо сти

и в зависимо сти от финансирования программа может допол-

няться и обновляться новыми со ставляющими (разделами,

про ектами).

Одним из основополагающих принципов формирования

программы являет ся преемственность в разработке проблем фи-

зико-химии НРС, выполнявшихся как на первом этапе данной

программы в 1996–2000 г., так и частично в других програм-

мах Министерства образования РБ, ведущих вузов ре спубли-

ки, программах фундамента льных исследований НАНБ и дру-

гих. Существенной о собенно стью данной программы также

является ее взаимо связь с другими разрабатываемыми програм-

мами Минобразования РБ и НАНБ. Тем с амым данная програм-

ма является одной из о снов целой системы фундаментального

научного обе спечения проблем «Нанотехнология» и «Нано элек-

троника».

Результативность программы будет заключаться в создании

фундаментальной научной базы и физико-химиче ских основ тех-

нологии формирования, диагностики и метрологии низкоразмер-

ных систем (элементов, структур, материалов).

3. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ

Концептуально Межвузовская программа фундаментальных

исследований «ФИЗИКО-ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ С

НИЗКОРАЗМЕРНЫМ СТРУКТУРИРОВАНИЕМ (ПОЛУЧЕНИЕ,

ДИАГНОСТИКА, ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И

СТРУКТУР)» со стоит из следующих разделов:

1. Получение и диагностика материалов с низкоразмерным

структурированием.

2. Физико-химические свойства материалов с низкоразмер-

ным структу-рированием.

3. Поверхность и границы раздела в низкоразмерных элемен-

тах и их ансамблях.

4. Физико-химия диэлектрических сред с зарядовыми нанок-

ластерами.

5. Теория статических и динамических низкоразмерных сис-

тем. Квантово-размерные эффекты (теория и эксперимент).

В разделе 1 разрабатываются основные физико-химические

принципы технологий получения, методов диагно стики и метро-

логического контроля материалов, в которых или на основе кото-

рых могут быть реализованы низкоразмерные эффекты.

Раздел 2 посвящен исследованию свойств одиночных низко-

размерных элементов и их анс амблей, реализующихся в различ-

ных материалах за счет их внутреннего структурирования и (или)

внешних воздействий.

В разделе 3 разрабатываются новые метододы исследования

и исследуется влияние границ раздела элемент — матрица либо

элемент — внешняя среда на формирование электронно-атомных

свойств низкоразмерных элементов и их ансамблей.

Раздел 4 по священ исследованию тонкой структуры и осо-

бенностей зарядовых характеристик нанокластеров, механиз-

мов структурообразования, тепло-, массо-, энергоперено с а в ге-

терогенных диэлектрических системах в зависимости от

структуры, химического со ст ава, топографии поверхно сти и

технологии получения.

Раздел 5 формирует теоретиче скую базу описания физико-

химических процессов, протекающих в НРС (материалах, элемен-