Дарис Нанотехнология

ДӘРІС КЕШЕНІ
Дәріс №1
Дәріс тақырыбы: Нанотехнологиялардағы кванттық эффектілер
Аннотация. Технология және нанотехнология ұғымдары, объектілердің түрлері,
нанотехнологияның негізі болып табылатын кванттық механиканың бастамалары
қарастырылды.
Кілт сөздер: технология, макроскопиялық, микроскопиялық және нанометрлік
объектілер, нанотехнология, ғылыми-техникалық революциялар, квант, Планк
тұрақтысы, дебройль толқыны, энергия квантталуы, Паули принципы, аумақ, рұқсат
етілген аумақ, тыйым салынған аумақ, потенциалдық тосқауыл, туннельдеу құбылысы,
Жоспары
1. Энергияның квантталуы
2. Қатты дененің аумақтық теориясы
3. Потенциалдық тосқауыл, оның биіктігі
Дәріс тезистері
Технология дегеніміз – бұл өнім шығару процесінде өңдеу, жасау, материалдың
қалпын, қасиеттерін, формасын өзгерту құралдар мен әдістерінің жиынтығы. Балта
немесе компьютерді жасау үшін технологияны, яғни, бастапқы материалдарды өңдеу
және одан негізгі өнімді алу әдістері мен құралдарын, білу қажет.
Технологияның міндеті – дүние және табиғат туралы білімдерді адамға қажетті
және пайдалы өнімге айналдыру. Материалды өңдеу және өнімді шығару процесінде
адам әртүрлі геометриялық мөлшері бар материалды меңгереді.
Оптикалық құралсыз көзге көрінетін объектілер макроскопиялық (macro – үлкен)
деп аталады. Макроскопиялық денелер көптеген атомдардан құрылады, мысалы тас
балта немесе авиалайнер. Кесені, балтаны, орындықты және тағысын тағылар жасау
технологиялары – бұл макроскопиялық дүниенің технологиялары.
Оптикалық микроскоптың ойлап шығаруымен микродүниенің объектілері
ашылды. Микроскопиялық объектілер (micro – кішкентай) деп 1-100 мкм мөлшерлі
объектілер аталады. Биологиялық клетка, қанның эритроциты және т.т. – бұл
микродүниенің объектілері. Электрондық микросхемаларды алу, генді модификациялау
– бұл микродүниенің технологияларының мысалдары.
Нанометрлік объектілер (nannos – карлик, торбық) деп 1-100 нм мөлшерлі
объектілер аталады. Төмендегі суретте әртүрлі табиғи және жасанды объектілер
көрсетілген. Атомдар мен молекулардың мөлшерлері – 0,1-1 нм. Мұндай деңгейде
физика, химия, биология ғылымдары арасындағы шектері жойылады.
Нанотехнологиялар дегеніміз – бұл нанометрлік мөлшерлері бар материалдарды,
құрылғыларды және жүйелерді жасау және қолдану. Нанотехнологиялар атомдық және
молекулалық мөлшерлі объектілермен жұмыс істеуге мүмкіндік береді.
Қазіргі технологиялардың дамуымен қатар миниатюрлеу процесі (технология
өнімінің мөлшері төмендеуі) өтеді. Г.Э.Мур заңдылығы бойынша, екі жыл сайын
чиптер тығыздығының өсу және олардың мөлшерлері азаю нәтижесінде
микропроцессорлердің есептеу мүмкінділігі екі есе артады. Сондықтан, электроника
микроқұрылымдардан наноқұрылымдарға ауысады, яғни, болашақта транзисторлар мен
басқа элементтер санаулы атомдардан құрылатын болады.
Адамзаттың дамуы жаңа материалдар мен технологияларының меңгеруімен
байланысты. Бірінші ғылыми-техникалық (индустриалдық немесе энергетикалық)
революциясы 1769 ж. Д.Уаттың бу қозғалтқышы негізгі патентін алуынан басталады.
Бұл двигательді қолдануының нәтижесінде өндірістің барлық салаларында, ауыл
шаруашылықта,
транспортта
еңбек
өнімділігі
өсті.
Ғылыми-техникалық
революциясының болуы темір өнімдерді жасау технологияларға тығыз байланысты.
Шығарылған өнімдері макродүниеге жатады.
XX ғасырдың 60 ж.ж. микроэлектрониканың дамуымен екінші (ақпараттық)
ғылыми-техникалық революциясы басталды. Автокөліктер және басқа тасымалдау
құралдары, станоктар және аспаптар макроскопиялық денелер болып қала береді,
бірақта оларды басқаратын элементтер, ақпаратты тарату және қабылдау
қондырғалардың құрделілігі жоғарлайды, ал оларды құрайтын бірліктерінің
(транзисторлар, конденсаторлар, кедергі элементтері) мөлшері төмендейді. Екінші
ғылыми-техникалық революция микродеңгейдегі кремний технологияларымен
байланысты. Ғалымдардың болжауы бойынша, нанотехнологиялардың дамуы үшінші
ғылыми-техникалық революциясына әкеледі. Белгілі америкалық физигі Э.Тейлор
айтқандай: «Нанотехнологияны бірінші меңгерген, XXI ғасырдың техносферасында
алдыңғы қатарында болады».
1900 ж. 14 желтоқсанында Неміс физиктер қоғамының отырысында жасаған
баяндамасында Макс Планк жарықтың энергиясы квант (лат. quant – қанша) түрінде
шығарылатыны туралы болжам жасады. Кванттың энергиясы оның жиілігіне
пропорционал болады:
(1.1)
E=h=ħ,
–34
мұнда ħ=h/2π – Планк тұрақтысы, h=6,6210 Джс.
Жарық ағынның энергиясы:
(1.2)
E=nh,
мұнда n=1,2,3,… – бүтін сандар.
1924 ж. Луи де Бройль бөлшектің толқындық табиғаты туралы болжам жасады.
Бұған сәйкес m массасы және v жылдамдығы бар бөлшектің еркін қозғалысын 
ұзындығы бар бөлшек қозғалатын бағытта таралатын монохроматты толқын түрінде
алуға болады. Мұндай толқын дебройль толқыны деп аталады (1.1 сурет):
h

(1.3)
mv
m


p  mv

h
p
1.1 сурет – Де Бройль толқынның қозғалу схемасы (p=mv – бөлшектің импульсі)
Энергияның квантталуы – бұл энергияның тек қана белгілі дискретті мәндерге ие
болуы.
1927 ж. К.Д.Дэвиссон және Дж.Томсон бір-бірінен тәуелсіз өткізген
тәжірибелерде никель монокристалында электрондардың дифракция құбылысын
байқаған.
Мынадай мысалдарды қарастырайық. Теннис добы (массасы 58,5 г) ойын кезінде
200 км/сағ жылдамдыққа дейін қозғалады. Доп толқынның ұзындығы 210–34 м.
Мұндай кішкентай шаманы өлшейтін аспап болмағандықтан доптың толқындық
қасиетті байқалмайды. Ал 100 В потенциалдар айырымен үдетілген электрон 1,210–10 м
немесе 0,12 нм толқын ұзындығына ие. Бұл шама никель кристалындағы атомаралық
қашықтыққа дәлме-дәл келеді.
(1.3) формуладан көрінетіндей, электронның энергиясын өзгертіп, оның толқын
ұзындығын вариациялауға болады. Замануи электрондық микроскоптарда электрондар
энергиясын басқара отырып, оның толқын ұзындығын және, сәйкесінше, микроскоптың
ажырату қабілетін өзгертуге мүмкіндік бар.
Нанотехнологияларда қолданылатын негізгі эффектілер аумақтық теорияға
немесе энергиялық аумақтар теориясына қатысты.
Ядролық физикаға қарағанда нанотехнологияда жеке атомдар емес молекулалар,
кластерлер және нанокристалдар қарастырылады. Молекула бірнеше атомнан, кластер
– ондық-жүздік, нанокристалл – жүздік-мыңдық атомнан, ал монокристалл 1018
атомнан құрылады. Бірлік атомнан молекула, кластер немесе нанокристалға ауысқанда
энергиялар деңгейлердің орналасуында елеулі өзгерістер байқалады. Жеке атомның
энергиялар мәндерінің алғашқы үшеуі мәндердің спектрі деп аталады (1.2а суретінде
көрсетілген).
1.2 сурет – Атомда (а), молекулада (б), нанокристалда (в) және кристалда (г) энергия
деңгейлерінің орналасуы
Паули принципіне сәйкес бір энергия деңгейінде екіден артық электронның
орналасуына тыйым салынады. Сонда бір атом екіншісіне жақындағанда деңгейлер
екіге бөлшектенеді (1.2 а-1.2б суреттері). Ондық, жүздік, мыңдық атомдар қосылғанда
дәл сондай мөлшерде деңгейлерге бөлшектенеді (1.2в сурет). Нанокристалл құрылғанда
деңгейаралық қашықтық азаяды, бірақ деңгейлер дискретті болып қалады және оларды
бір-бірінен ажыратуға болады. Монокристалл құрылғанда (1.2г сурет) атомдар саны
1018 асады және деңгей арасындағы қашықтық 10–18 эВ-қа дейін азаяды. Сонда
деңгейлерді бір-бірінен ажыратуға болмайды.
Энергетикалық деңгейлердің үзілмейтін тобы аумақ деп аталады. Аумақ рұқсат
етілген және тыйым салынған болып екіге бөлінеді. Рұқсат етілген аумақ дегеніміз –
бұл энергияның деңгейлері бар және онда электронның болуы рұқсат етілген аумақ.
Тыйым салынған аумақ дегеніміз – бұл энергияның деңгейлері жоқ және онда
электроның болуына тыйым салынған аумақ.
Кристалдан нанокристалға ауысқанда деңгейлер арасындағы ауысулар арттады
(1.2г-1.2в суреттер).
Мұндай
эффект
квантты-өлшемді
деп
аталады.
Нанобөлшектердің өлшемдері азайғанда энергиялық ауысулардың энергиясы,
сәйкесінше,
сәулелену
кванттардың
энергиясы
арттады.
Сол
себептен
нанобөлшектердің коллоидты ерітінділеріндің және шығарылған сәулеленудің түстері
бөлшектің өлшемдеріне тәуелді. Квантты-өлшемді эффектің нанотехнологиядағы рөлі
маңызды
болады.
Мысалы,
нанокристалдардың
өлшемдерін
өзгертіп
электрлюминисценцияның әртүрлі түстерін алуға болады.
Валентті аумақ дегеніміз – бұл валентті электрондардан құрылған энергетикалық
аумақ. Валентті аумақтан жоғары орналасқан аумақ – өткізгіштік аумағы деп аталады.
Валенттік аумағы мен өткізгіштік аумағының толтырылуына байланысты кристалдар
диэлектриктерге және өткізгіштерге (металдарға) бөлінеді.
Диэлектриктерде валентті аумақ электрондармен толтырылған, ал өткізгіштік
аумағы бос болады. Металдарда өткізгіштік аумағының бөлігі толтырылған, ал
валентті аумақ – толығымен. Жартылай өткізгіштерде басқа диэлектриктерге
қарағанда тыйым салынған аумағы шағын болып табылады.
150–200 К төмен температураларда олардың валенттік аумағы толтырылған, ал
өткізгіштік аумағы бос болады. Жылу қозғалыс энергиясының есебінен
электрондардың бір бөлігі бөлме температурасында тыйым салынған аумақтан өтіп
кетеді де, өткізгіштік аумағында орналасады.
Eg1 және Eg2 тыйым салынған аумақтары бар жартылай өткізгіштердің қос түрін
қолданып, потенциалдық тосқауылды немесе кванттық шұңқырды алуға болады
(1.3 сурет).
а
б
1.3 сурет – Кванттық тосқауылдар (а) мен кванттық шұңқырлардың (б) қалыптасуы
Потенциалдық тосқауылдың классикалық жағдайының мысалы – шариктің ауыр
күші өрісінде қозғалуы (1.4 сурет). Суреттегі таушықты потенциалдық тосқауыл
ретінде алуға болады, себебі шариктің көтерілу h биіктігі өскенде, оның потенциалдық
энергиясы артады, ал кинетикалық энергиясы – азаяды.
U
E U

v
h
0
а
1.4 сурет – Потенциалдық тосқауылдан
бөлшектің өтуі: а) тосқауылдан
классикалық бөлшектің өтуі, б)
потенциалдық тосқауыл, в) электронның
толқыны
x
l
б
x
в
Потенциалдық тосқауылдың биіктігі деп бөлшектің таушық төбесіндегі
потенциалдық U=mgh энергиясы аталады. Ek>U болғанда, бөлшек таушықтың екінші
жағына домалап кетеді. Ek<U болғанда, бөлшек таушықтың төбесіне жетпей кері қарай
домалайды.
Потенциалдық тосқауыл потенциалдық энергияның кез-келген түріне
сәйкестенеді, мысалы әртүрлі тыйым салынатын аумағы бар жартылайөткізгіштерден
құрылған потенциалдық тосқауылдан сол жақтан орналасқан электрондар тосқауылды
өтуге жеткіліксіз энергияға ие болады (1.3а сурет).
Екінші жартылайөткізгішке электрондардың өтуіне тыйым салынады. Бірақта,
тосқауыл бірнеше атомдық қабаттардан құрылатын болса, электрондардың бір бөлігі
тосқауылдан өтуі мүмкін. Мұндай эффект туннельдеу құбылысы деп аталады.
Неғұрлым тосқауылдың геометриялық өлшемдері және тосқауыл U биіктігі мен
бөлшектің кинетикалық Ek энергиясының айырымы аз болса, соғұрлым электронның
тосқауылдан өту мүмкінділігі көп болады.
Туннельдік эффект: егер кванттық бөлшек потенциалдық U тосқауылдың бергі
жағында орналасса, онда бөлшектің толық энергиясы тосқауылдан төмен болған
жағдайда да оның тосқауылдың арғы бетіне өту мүмкінділігі болады.
Туннельдеу, бөлшектің толқындық қасиеттері және энергия деңгейлерінің
квантталуы – осылардың барлығы кванттық табиғатқа жатады.
Энергия деңгейлерінің квантталуы бірнеше атомдық қабаттан құрылатын
кванттық шұңқырларда да болады (1.3б сурет). Шұңқырдың ішінде электронның
қозғалысы оң және сол жағынан шектеледі, себебі оның энергия мәндеріне бұл
аймақтарда тыйым салынады. Егер шұңқырдың жарлары биік болса, онда шұңқырдың
ішінде тек тұрғын толқындар болуы мүмкін, яғни шұңқырда жартылай толқындардың
бүтін саны болады:

2l
l  n,    ,
(1.4)
2
n
мұнда l – шұңқырдың ені, n – бүтін сан.
Импульс пен дебройль толқыны өзара p  h /  байланысын ескере отырып,
кванттық шұңқырда рұқсат етілген энергияларды анықтауға болады:
mv2 p 2
h2
h2 2
(1.5)
E



n ,
2
2m 2m2 8ml 2
мұнда p – электрон импульсі, m – электрон массасы, h – Планк тұрақтысы.
Электрон минималды энергияға ие болады, сондықтан электрон төменгі деңгейде
орналасады және өз бетімен шұңқырда қала береді. Мұндай процесті электрон қармауы
немесе бұғаттау деп атайды. Электронды босату үшін оған жарық квант түрінде
шұңқырдағы энергия ауысулардың айырымына тең энергия беру керек. Керісінше,
мұндай жүйеден ток өткенде электрондар энергия деңгейлер арасындағы белгілі
ауысуларымен анықталатын толқын ұзындықтары бар жарық кванттарын шығарады.
Мұндай эффекте қазіргі жартылай өткізгіштік диодтар мен лазерлердің көбісі
негізделген.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.5. – М., Мир,
1976.
2. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.:Наука. 1989.504с.
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учеб.пособие. – М.:
МГИЭТ (ТУ), 1996. – 91 с. ISBN 5-7256-0107-2
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №2
Дәріс тақырыбы: Наноматериалдарды алу технологиялары
Аннотация. Наноматериалдардың класқа бөлінуі, «жоғардан-төменге» және
«төменнен-жоғарға» деп аталатын технологиялар зерттелінді.
Кілт сөздер: құрылым, наноқұрылымды материалдар, нанобөлшектер,
фуллерендер,
нанотүтікшелер,
наноталшықтар,
нанокеуекті
құрылымдар,
нанодисперсиялар, наноқұрылымдырылған беттіктер, Ленгмюр-Блоджетт ұлпалары,
гетероқұрылымдар, нанокристалдық материалдар
Жоспары
1. Наноматериалдардың классификациясы
2. Литография
3. Эпитаксия
Дәріс тезистері
Материалдың құрылысында, пішінде мен мөлшерінде ерекшеліктері құрылым
деп аталады. Наноқұрылымды материалдар (наноматериалдар) дегеніміз – бұл
нанометрлік өлшемді құрылымына ие материалдар.
Заттың макроөлшемдерінен наноөлшемдеріне ауысқанда олардың қасиеттері
секірмелі өзгереді. Оның екі негізгі себебі бар: біріншіден, беттіктің үлесін өсуі;
екіншіден, кванттық эффектілері әсерінен электрондық құрымынының өзгеруі.
Беттікке жақын аймақта орналасқан атомдардың қасиетерінде материал
көлеміндегі атомдарынан өзгешілігі бар. Сондықтан, материалдың беттігін заттың
ерекше күйі ретінде қарастыруға болады. Неғұрлым беттікте орналасқан атомдарының
саны көп болса, соғұрлым беттікке байланысты эффектілер күштірек болады.
Объектілерінің өлшемдері төмендегенде, олардың кванттық қасиеттері күшейеді,
сонда нанообъектілерінің электрондық құрылымының ерекшеленеді. Корпускулалытолқындық екіжақтылық теориясы бойынша, кез келген бөлшекте толқынның белгілі
ұзындығы бар, мысалы, кристалдағы электронды сипаттайтын толқындар немесе
элементар атомдық магнетиктер қозғалысына байланысты толқындар.
Кейбір заттардың нанобөлшектері әжептәуір катализдық және адсорбциялық
қасиеттеріне ие. Кейбір наноматериалдар бірегей оптикалық қасиеттеріне ие, мысалы,
органикалық заттардың асанәзік ұлпаларды күн батареяларын жасағанда қолданылады.
Қазіргі таңда технологтар әртүрлі наноматериалдарды алады. Наноматериалдар
мынадай кластарға бөлінеді: нанобөлшектер, фуллерендер, нанотүтікшелер және
наноталшықтар, нанокеуекті құрылымдар, нанодисперсиялар, наноқұрылымдырылған
беттіктер мен ұлпалар, нанокристалдық материалдар.
Нанобөлшектер деп 100 нм-ден кем өлшемді бөлшектер аталады.
Нанобөлшектер кемінде 106 атомнан құрылады және олардың қасиеттері дәл сондай
атомдардан құрылған көлемді материалдарының қасиеттерінен ерекшеленеді.
Коваленттік және металдық байланыс болғандықтан металдық кластерде атомдар
саны 10 мыңнан асады. Реакцияның эффектив ауданы мен өзіндік реакциялық қабілеті
жоғары болғандықтан металдық кластерлер катализаторлар ретінде техникада
қолданылады. Олар матрицаларға оңай енгізіледі.
Үлкен иондық кластердің құрылымы көлемді нанокристалдың құрылымына
ұқсайды. Иондық кластерлер жоғары ажыратқыш қабілетті фотоұлпаларды және
молекулалық
фотодетекторларды
жасау
кезінде,
микроэлектроника
мен
электрооптиканың әртірлі салаларында қолданылады.
Фракталдық кластерлерде кластердегі молекулалардың (бөлшектердің) саны
n=cRD, мұнда R – кластердің өлшемі, D – фракталдың өлшемділігі (бөлшек шамасы).
Фракталдық құрылым күйе, коллоидтар және кеңінен қолданылатын аэрозольдер мен
аэрогельдерде де бар. Кластерлік пішінге ие биологиялық объектілер кездеседі.
Өлшемдері 10 нм-ден төмен нанобөлшектер нанокластерлер деп аталады.
Нанокластер шамамен 1000 атомнан құрылады. Макроскопиялық физикадағы
орындалатын физикалық заңдар нанобөлшектері үшін орынды болмайды. Мысалы,
өткізгіштерді параллель және тізбектеп қосқанда қолданылатын кедергілер
формулалары орындалмайды; тастағы нанокеуектердегі судың қату температурасы –
20...–30C температураға дейн төмендейді; алтын нанобөлшектерінің балқу
температурасы массивті үлгілерге қарағанда әлдеқайда төмен.
Зат бөлшектерінің өлшемдері оның электр, магниттік және оптикалық
қасиеттеріне әсер ететіне көруге болады. Мысалы рубин шынының түсі алтынның
коллоидты (микроскопиялық) бөлшектерінің құрамы мен өлшемдеріне тікелей
байланысты. Алтынның коллоидты ерітінділерінің түстірі алтын-сары (бөлшектердің
өлшемдігі 10 нм-ден төмен) мен қызыл күреңнен (10–20 нм) көкке (40 нм) дейін
өзгереді. XIX ғасырдың ортасында Майкл Фарадей алған алтынның коллоидты
ерітінділері Лондон мұражайында сақталуда. Фарадейдің жасаған болжау бойынша,
ерітінділер түстерінің өзгеруі бөлшектер өлшемдеріне байланысты.
Бөлшектердің өлшемдері төмендегенде беттік атомдарының үлесі арттады.
Нанобөлшектер үшін барлық атомдарды беттік деп есептеуге болады, сондықтан
олардың химиялық белсенділігі өте жоғары. Сол себептен, металдардың
нанобөлшектері бірігеді. Ал өсімдіктер, бактериялар мен микроскопиялық
саңырауқұлақтарда металдар атомдардың шағын жиынтығынан құрылған кластерлер
түрінде кездеседі.
i атомдардан құрылған сфералы кластердің көлемі (мұнда R – нанокластердің
радиусы, v – бір бөлшектің көлемі):
4
V  R 3  vi ,
(2.1)
2
Бір бөлшекке келетін көлем (мұнда a – бір бөлшектің орташа көлемі):
4
v  a 3 ,
(2.2)
3
Сонда
1
(2.3)
R  ai 3 ,
Нанокластерлердің көбісінде a  0.1нм . (2.3) формуладан 1000 бөлшектен
тұратын кластердің өлшемдігі шамамен 1 нм құрайды.
Нанокластерлердің беттік ауданы олардың маңызды сипаттамаларына жатады:
(2.4)
S  4R 2  4a 2i 2 / 3 .
i S беттіктегі атомдар саны беттік ауданымен мынадай байланыста болады:
S  siS  4a 2iS ,
(2.5)
мұнда s – кластер беттігіндегі бір атом алатын аудан.
Беттіктегі атомдар санының көлемдегі атомдар санына қатынасын анықтайық:
iS
Sv
v
a
1


  1/ 3 .
(2.6)
i sV Rs R i
(2.6) формулаға сәйкес, кластер өлшемі артқанда оның беттігіндегі атомдарының
үлесі азаяды. 100 нм-ден төмен өлшемді кластерлері үшін беттіктің ролі өседі.
Күміс иондары зиян келтіретін бактериялары мен микроорганизмдерді жояды.
Күміс нанобөлшектерінде химиялық белсенділігі жоғары болғандықтан, олар
косметикада, тіс пасталарында, дезинфекциялауға қолданылады.
Нанотүтікшелер мен фуллерендердің ашылуына байланысты нанохимияда
көміртектің атқаратын рөлі өте маңызды.
Фуллерендер дегеніміз бұл саны 40-тан асатын атомдардан құрылған сфераға
ұқсас каркастық құрылымдарына ие кластерлер. Фуллереннің пішіні футбол добына
ұқсайды (2.1а сурет). Кластердің мұндай аталуы Фуллер сәулетшісіне байланысты. Бұл
ғалым ұқсас құрылымдарды сәулет саласында қолдануын ойлап тапқан.
а
2.1 сурет – Фуллерен (а) және нанотүтікше (б) моделі
б
1985 ж. Крото қызметкерлерімен бірге ашқан C60 фуллерені ең тұрақты болады.
Қазіргі таңда ашылған фулерендердегі көміртек атомдардың саны 36÷540 аралықта
болады. 1991 ж. жапон ғалымы Сумио Ииджима нанотүтікшелер деп аталатын ұзын
көміртекті құрылымдарды ашқан (2.1б сурет).
Фуллерендер мен нанотүтікшелер – ғажайып қасиеттерге ие және ғылым мен
техникада кеңінен қолданылатын нанотехнологиялардың ең зерттелінген объектілері.
Поралық (кеуекті) заттар (грек. porus – канал) табиғатта кездеседі: мүк, қына,
балдыр. Кеуекті материалдарда ішкі көлемі бос болады.
Кеуекті заттардың сандық сипаттамасы ретінде  кеуектілігі: =(Vpor/V)100%, мұнда
Vpor – кеуектердің көлемі; V – материалдың көлемі. Кейбір кеуектік материалдардың
кеуектілігі 80-90%-ға дейн барады. Кеуектік материалдарда бос көлемі су, басқа сұйық
немесе газбен толтырылу мүмкін. Сондықтан кеуекті материалдарды сүзгі, сүзгіш,
сорбент ретінде қолданылады. Сорбенттер дегеніміз бұл әртүрлі химиялық
элементтерді жұтуға арналған заттар. Сорбенттің мысалы ретінде активтелінген көмірді
алуға болады.
Нанокеуекті заттар – бұл наноөлшемді кеуектері бар кеуекті заттар.
Нанокеуектердің өлшемдері 1÷100 нм аралығында болады. Микрокеуектік (кеуектің
диаметрі d<2 мкм), мезокеуектік (2<d<50), макрокеуектік (d>50) заттарда кеуектердің
өлшемдері микрометрлік диапазонда жатады.
Кеуектердің өлшемдері азайғанда нанокеуектік материалдарда әртүрлі химиялық
элементтердің сүзу және жұту жаңа қабілеттілігі пайда болады.
Кеуекті материалдарға жататын кеуекті кремний қызығушылық тудырады. Таза
кремний негізінде көрінетін сәулеленудің көзін жасауға болмайды, ал кеуектік
кремнийдің бұл мақсатымен қолдануы мол.
Кеуекті кремний анодтық өңдеу (улау) әдісімен алынады. Бұл үшін
монокристалдық кремнийдің пластинаны фторсутегі қышқылдың әлсіз ерітіндісі бар
электрхимиялық ұяшыққа орналастырады. Оң зарядталған электродқа (анодқа) жалғап,
әлсіз тұрақты токты жібереді (2.2а сурет). Уақыт өткенде электр тогы мен фтор
иондары беттігін өңдейді. Кремний көлеміне енетін вертикаль кеуектер пайда болады
(2.2б сурет). Көршілес кеуектер бірнеше нанометр өлшемді диаметрі бар кремний
бағандарын қалыптастырып бір-біріне қосылуы мүмкін. Ток күші мен фтор
иондарының концентрациясын өзгертіп, өңделу процесін бақылауға болады.
Нанодисперсиялар дегеніміз бұл нанобөлшектер біртекті ерітілген сұйық
фазадан құрылған жүйелер. Қазіргі таңда нанодисперсиялар негізінде косметика мен
медицинада қолданылады.
Сұйық фазада ерітілген нанобөлшектерді дәрі тасымалдау үшін қолдануға
болады. Дәрі нанобөлшектің беттігіне «қыстырылады» немесе көлемінде орналасады.
Нанобөлшек дәріні ауырған мүшеге жеткізеді.
а
б
2.2 сурет – Кеуектік кремнийді анодтық әдісімен алуы (а) және оның моделі (б)
Нанодисперсиялар кеңінен косметикада қолданылады. Арнайы наноконтейнерге
орналастырылған косметикалық препараттар билогиялық клеткаларға оңай енеді.
Ең жұқа ұлпа қатты немесе сұйық беттікке түсірілген заттың бір атомдық
қабаттан құрылған. Мұндай ұлпалар Ленгмюр-Блоджетт ұлпалары деп аталады.
Жартылай өткізгіш материалдардан құрастырылған ұлпалар немесе қабаттар
гетероқұрылымдар деп аталады.
Гетероқұрылым қалындығы бірнеше нанометрлі жартылайөткізгіш қабаттарының
ондықтар тізбегінен құрылуы мүмкін. Жартылайөткізгіш гетероқұрылымдар жарық
диодтарды, лазерлерді және басқа жартылайөткізгіш аспаптарды жасауға қолданылады.
Гетероқұрылымдар молекулалы-сәулелік, газды фазалық, сұйықтық эпитаксия
әдістерімен және өздігінен құрастыру әдісімен жасалынады.
Зат атомдар мен молекулалардан және олардың блоктарынан құрылады. Мұндай
блоктар ретінде нанокластерлер мен нанобөлшектер болып табылады. Наноөлшемді
блоктардан құрылатын кристалдық материалдар көлемдік нанокристалдық
материалдар деп аталады.
Нанокристалдық материалдарда бірқатар бірегей қасиеттері бар. Мысалы, бір
мезетте беріктік пен созылымдылық қасиеттерінің болуы. Нанокристалдық
материалдарда бірегей механикалық қасиеттерінің болуы зат құрайтын
нанобөлшектердің айрық шекарасы болуына байланысты. Айрықтың шекарасы
көлемдік заттан ерекшеленеді.
Соңғы жылдары нанокристалдарды алу технологиялары дамуда. Коллоидты
химия әдістерін қолдана отырып, нанокристалды түрде металдар, жартылай өткізгіштер
мен магнитті материалдарды алуға болады. Жартылай өткізгіштерде кейбір
сипаттамалар, мысалы жарық сәулеленуінің қарқындылығы, бөлшектер өлшемдеріне
тәуелді. Нанокристалдарды биологиялық белгілеуге қолдануға болады.
Нанокристалдарға нанометрлік диапазондағы кристалдары бар қорытпаларды
және оңашаланған нанокристалдарды жатқызуға болады.
Нанотехнологиялар наноөлшемді материалдар мен қондырғаларды алуға және
қолдануға мүмкіндік береді. Нанометрлі объектілерін алуға екі тәсілі бар. Бұл
«жоғардан-төменге» және «төменнен-жоғарға» деп аталатын технологиялар.
«Жоғардан-төменге» технологиясы механикалық немесе басқа өңдеу түрімен
наноөлшемді объектілерін алғанша дененің өлшемдерін азайту (2.3 сурет). Мысалы,
макроскопиялық өлшемді материалды арнайы диірменде ұнтақтатып нанобөлшектерді
алуға болады.
«Төменнен-жоғарға» технологиясы – бөлек атомдар мен молекулалардан алдын
ала берілген (нанометрлік) өлшемдерге дейін объектті жинақтау (2.4 сурет). Мысалы,
сканерлеу туннельдік микроскопы көмегімен беттік элементтерін өңдеу мен өздік
жинақтау.
Өңделінетін физикалық дене
Қажетті
бұйым
2.3 сурет – «Жоғардан-төменге» технологиясымен бұйымды алу
Жеке атом
Зонд
Қажетті
бұйым
2.4 сурет – «Төменнен-жоғарға» технологиясымен бұйымды алу
Қазіргі таңда литография электроникада наноқұрылымдарды алу негізгі
құралдарының бірі болып табылады. Литография «литос» (грекше тас) және «графос»
(жазу) сөздерінен шыққан (таста жазу). Литография қатты денелер беттігінде
наноқұрылымдарды алуға мүмкіндік береді.
Бұл әдісте элемент немесе схеманың кескіні мөлдір төсеніште қондырылған
металдық ұлпадағы сурет түрінде алынады. Мұндай сурет маска немесе фотошаблон
деп аталады. Жарық ағыны көмегімен сурет жартылай өткізгіш пластинаға түсіріледі.
Пластинада қабат-қабатымен интегралдық схеманың физикалық құрылымы
қалыптасады. Сонымен, фотолитография – бұл жартылай өткізгіш төсенішке маскадан
(фотошаблоннан) кескінді түсіру процесі. Төсеніштің беттігінде жарықсезгіш
полимерлік материалдан ұлпалық қаптама құрылады. Схема элементері бар маска
арқылы қаптаманы сәулелендіреді, содан соң қаптама арнайы еріткіштер көмегімен
ерітіледі.
Қарапайым жағдайда литография бірнеше сатыда жасалынады. Бірінші сатында
қатты дене беттігіне фоторезисттің қабаты қондырылады.
Фоторезист – бұл сәулелену әсерінен қондырылған беттіктің құрылымын
өзгертетін жарықсезгіш зат.
Содан соң, беттікке фотошаблон орнатылады. Фотошаблон – бұл сәулеленуге
мөлдір және мөлдір емес учаскілерден құрылған маска, басқаша айтқанда, қатты дене
беттігін өңдеуге арналған трафарет.
Литография процесінің келесі саты экспонирлеу деп аталады. Мұнда фоторезист
қондырылған және үстіне фотошаблон қойылған қатты дененің беттігі сәулеленудің
оптикалық көзінің (шам немесе лазер) өңдеуіне ұшырайды. Соның нәтижесінде
сәулеленуге мөлдір болатын фотошаблон учаскілерінің астында фоторезист әсерінен
беттіктің құрылымы өзгереді. Фоторезист өзгерткен беттіктің бөлігі фоторезистпен
бірге улау (травление) процедурасы кезінде кетіріледі. Химиялық улау арнайы
химиялық заттарымен (уландырғыштарымен) сәулеленген фоторезист әсерінен
құрылымын өзгерткен беттікті ерітуінде негізделген. Осындай әдіспен қатты дене
беттігінде күрделі құрылымдарды қиып алуға болады.
Литография микросхемалардың, яғни электрондық техниканы басқаратын
қондырғылардың, жасауының негізгі сатыларына жатады. Литография жасау кезінде
алынатын «суреттердің» өлшемдерін азайтып, микросхемалар өлшемдерін төмендетуге
болады.
Сәулелену толқынның
ұзындығы фотошаблон
арқылы фоторезистті
«жарықтандыру» үшін қолданылатын оптикалық сәулелену көзінің сипаттамасы болып
табылады. Дифракция құбылысына байланысты бұл шама литография көмегімен қиып
алынатын фрагменттерден үлкен болу мүмкін емес. Егер де литографияда 1 мкм
ұзындығы бар сәулелену көзі қолданылатын болса, онда салынатын детальдерінің
минимальды өлшемі дәл сондай болады. Литография арқылы наноөлшемді объектісін
салу үшін бірнеше ондық нанометр толқын ұзындығы бар ультракүлгін сәулеленудің
көзін қолдану керек.
Төсеніш материалы ретінде тоттандырылған беттігі бар кремний пластиналары
алынады. Ж6ұқа SiO2 тұрақты беттік ұлпасы кремнийді тоттанудан сақтайды,
қоспалардың көбісіне өткізбейтін тосқауыл болады және диэлектрик болып табылады.
Si-SiO2 жүйедегі материалдардың біреуіне ғана әсер ететін ұландырғыштар көмегімен
іріктеу ұландыруды жасауға мүмкіндігі осы жүйенің артықшылығы болып табылады.
Жақсы жартылай өткізгіш қасиеттері бар кремнийдің қолданылуы эпитаксия және
гетероэпитаксия құбылыстарына да байланысты.
Фотолитографиялық процесінің басында (2.5 сурет) төсеніш беттігін әртүрлі
(органикалық, иондық, металдық) қосылыстардан химиялық әдіспен тазартылады.
2.5 сурет – Негативті және позитивті фоторезистерлер қолдануымен
литографиялық процесінің схемасы
Тазартаудан кейін төсеніш беттігіне SiO2 қорғау қабаты тұндырылады. Бұл
қабатты кремнийдің таңдалған учаскілерінен алу керек. Ол үшін тоттанған төсеніштің
беттігінде фотосезгіш материалдан (фоторезист) жұқа ұлпа алынады. Содан соң ұлпа
маска арқылы сәуленлендіріледі. Сәулелену нәтижесінде құрылым мен қасиеттерінің
өзгеруіне байланысты фоторезисттер негативті немесе позитивті бола алады. Егер
сәулелену нәтижесінде ұлпа полимерленсе және ерігіштігін жоғалтса, онда еріткішпен
өңдеу сәулелендірілмеген учаскілердің ыдырауына әкеледі және төсеніште масканың
негативті кескіні алынады. сәйкестенетін фоторезистер негативті деп аталады. Егер
сәулелендірілген фоторезист еритін болса, онда маска арқылы сәулелендірілген
учаскілер еріту нәтижесінде алынады, ал төсеніште масканың позитивті кескіні
(фотошаблон) алынады. Мұндай фоторезистер позитивті деп аталады. Қазіргі таңда
позитивті фоторезистер кеңінен қолданылады, себебі оларда кескіннің ұсақ
геометриялық детальдерін алуға болады. 2.5 суреттегі белгілеулер: а – тоттану және
SiO2 беттік қабатттың қалыптасуы; б – резист қабатты қондыру; в – экспонирлеу; г –
экспонирленген позитивті және экспонирленбеген негативті резисттерді кетіру; д –
SiO2 қабатты уландыру; е – резистті толық кетіру; ж – кремний төсенішті легирлеу; 1 –
Si төсеніші, 2 – SiO2 беттік қабаты, 3 – резисттің қабаты, 4 – фотошаблон (маска), 5 –
легирлеу аймағы.
«Төменнен-жоғарға» технологиясында наноөлшемді объектілер бөлек атомдар
мен молекулаларды жалғау арқылы алынады. Бөлек атомдардан наноматериалдарды
жасау технологияларының көбісі конденсация құбылысында негізделген.
Конденсация (лат. condenso – тығыздату) –суыту немесе сығылу нәтижесінде
заттың газ тәрізді күйден сұйық немесе қатты күйіне ауысуы.
Берілген зат үшін будың конденсациясы тек қана кризистік температурадан төмен
температураларда болуы мүмкін. Су молекулалары сияқты басқа да химиялық
элементтердің атомдары мен молекулаларын «конденсациялауға» болады. Газдан
сұйыққа немесе сұйықтан қатты күйіне фазалық түрлену процесі белгілі уақытта өтеді.
Түрлену процесінің бастапқы сатында нанобөлшектер пайда болады, содан соң олар
макроскопиялық объектілерге айналады. Фазалық ауысуды бастапқы сатында
«тоқтатып», нанобөлшектерді алуға болады.
Нанобөлшектерді алу конденсациялық әдісінде макроскопиялық дене
құрамындағы атомдарды буландыру керек. Буландыруды макроскопиялық дененің
термиялық немесе лазерлік қыздыру нәтижесінде өткізуге болады. Буландырылған
атомдарды төмен температуралар аймағына орын ауыстырғанда, олардың
нанобөлшектерге конденсациясы өтеді. Технологиялық процестің киыншылығы –
нанобөлшектердің макроскопиялық денелерге өсуіне кедергі жасау. Конденсация
құбылысының негізінде фуллерендер, көміртекті түтікшелер, нанокластерлер және
әртүрлі өлшемді нанобөлшектер алынады.
Кристалл беттігіне атомдардың басқарылған конденсациясы эпитаксия
технологиясының негізінде жатады. Эпитаксия (грек. epi – үстінде және taxis –
орналасу реті) – кристалдың беттігінде екіншісінің бағдарланған өсіруі.
Кристал беттігіне керек атомдарының эпитаксиясы сұйық және газ фазадан
жасалынады. Эпитаксия процесі басында төсеніштің бетінде кристалдар пайда болады,
олар бір-біріне бітіп кетеді де тұтас ұлпа пайда құрылады. Эпитаксияның замануи
әдістері бірнеше атомдық қалындығы бар қабаттарды алуға және әртүрлі химиялықфизикалық қасиеттері бар қабаттар тізбегін өсіруге мүмкіндік береді.
Эпитаксия микроэлектроникада (транзисторлар, интегралдық схемалар, жарық
диодтары және т.б.), кванттық электроникада (көп қабатты жартылай өткізгіштік
гетероқұрылымдар,
инжекциялық
лазерлер),
интегралдық
оптикасының
құрылғыларында, есептеуш техникада кеңінен қолданылады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
Дәріс №3
Дәріс тақырыбы: Өздік ұйымдасу және өздік құрастыру
Аннотация. Атомдар мен молекулалардан күрделі жүйелер құрудың тиімді тәсілі
болып табылатын өдік ұйымдасу процесі қарастырылды.
Кілт сөздер: өздік ұйымдасу, синергетика, Бенар ұяшықтары, диссипаттылық,
жабық жүйе, ашық жүйе, өздік құрастыру,
Жоспары
1. Өздік ұйымдасқан жүйелерінің негізгі қасиеттері
2. Нанотехнологияларда өздік ұйымдасуды қолдану
Дәріс тезистері
Бөлек атомдар мен молекулалардан күрделі организмдер мен жүйелер қалай
құрылады деген сұраққа жауап беру үшін қарапайым заттан күрделі заттың пайдалу
болу принциптерін түсіну керек. Қарапайым құрылымдардан күрделі құрылымдардың
пайда болуы өздік ұйымдасу деп аталады.
Бұл ұғымды неміс ғалымы Герман Хакен еңгізген: «Өздік ұйымдасу дегеніміз –
бұл ашық жүйені құрайтын элементтері жиынтығының келісілген өзара әсерлесу
нәтижесінде жүйенің реттелу процесі». Өздік ұйымдасу бастапқы құрылымға қарағанда
күрделі құрылымының қалыптасуына байланысады. Физика мен химияда өздік
ұйымдасу атомдар мен молекулалардың ретсіз қозғалысынан реттелген құрылымдарға
ауысуы болып табылады.
Өздік ұйымдасатын жүйелерді зерттейтін ғылым синергетика (грек. sinergetike –
бірлескен әрекет) деп аталады. Синергетиканың негізгі идеясы – өздік ұйымдасу
процесінің нәтижесінде ретсіздік пен былықтан рет пен ұйымдасудың тосынды пайда
болады.
Синергетика әдістері барлық ғылымдарда: физика мен химиядан бастап
әлеуметтану мен филологияғада қолданылуы мүмкін.
Табиғатта көптеген өздік ұйымдасатын жүйелер бар. Жануарлар әлеміндегі
мысалдары – аралардың алтыбұрышты кәрездерді салуы (3.1 сурет), құмырсқалардың
коллективтік жүріс-тұрысы және т.б.
Бенар ұяшықтарының (3.2 сурет) пайда болуы кеңістікте реттелген құрылымның
классикалық үлгісі болып табылады. 1900 ж. аралардың кәрездеріне ұқсас
құрылымының фотосуреті бар Бенардың мақаласы жарық көрген. Бұл құрылым
сынапқа толтырылған және астынан қыздырылатын кең жайпақ түп ыдыста пайда
болады. Сынап (немесе басқа да тұтқырлы сұйықтың) қабатында қыздыру кезінде
төменгі және жоғарғы беттіктер арасында температуралар айырымы болады. Сынап
қабатында температуралар айырымы белгілі кризистік мәнге жеткенде бірдей
алтықырлы призмалардың құрылуын байқауға болады. Мұндай призманың ортасында
төменгі жағынан қыздырылған сұйық жоғарға көтеріледі, ал қырларымен суытылған
сұйық төменге ағады. Бұл құрылымның тұрақты болуы сұйық қабатында
температуралардың үлестірілуі біртекті болмағандығына байланысты. Температураның
біртектіеместігі энергияның сұйықтың төмен қабатынан келіумен және жоғарғы
беттігінен энергияның кетуімен қалыптасқан.
3.1 сурет – Аралардың кәрездері (фото)
3.2 сурет – Бенар ұяшықтары
Өздік ұйымдасу теориясында тепе-теңдік күйде болмайтын ашық сызықты емес
диссипативті жүйелер қарастырылады. Диссипаттылық дегеніміз – бұл
микродеңгейде өтетін процестерінің сапалы өзгеше макроскопиялық болып
көрсетілетін жүйенің динамикалық күйі.
Термодинамикада жабық жүйе деген ұғым бар. Орта мен жүйе арасында зат пен
энергияның алмасулары болмаса, мұндай жүйе жабық жүйе деп аталады.
Термодинамиканың бірінші бастамасы бойынша, жабық жүйеде энергия сақталады.
Жабық жүйелер үшін термодинамиканың екінші бастамасы тұжырымдалған.
Сондықтан, кез келген ұйымдасқан және реттелген құрылым ұйымдасу және реттелу
деңгейі төмен құрылымға ауысу мүмкін.
Мысалы, термодинамиканың екінші бастамысына сәйкес, әлемдегі энергияның
қоры азаяды, ал әлем «жылулық қырғынға» ұшырауына жақындайды. Уақыт өте
әлемнің ұйымдасқан құрылымдарды қуаттау қабілеті төмендейді және мұндай
құрылымдар ұйымдасқан деңгейі төмен құрылымдарға ыдырайды.
Тірі табиғаттағы эволюцияның мысалдарынан қарапайым заттан күрделі затқа,
ұйымдасудың төменгі формалардан жоғарғыларына, ұйымдасу деңгейі төменнен
жоғарға дамуын көруге болады. Термодинамиканың екінші бастамасын биология
ғылымдарының қорытындыларына сәйкестендіру әрекеттері сәтсіз аяқталды.
Классикалық термодинамика көмегімен ашық жүйелердің заңдылықтарын сипаттауға
болмайды. Ашық жүйелер ұғымы еңгізіліп және олардың зерттеулері жүргізіліп,
оларды сипаттауға мүмкіншілік пайда болды.
Ашық жүйелер дегеніміз – бұл сырттан зат немесе энергияның үзіліссіз келуіне
байланысты белгілі күйде тұратын жүйелер. Зат пен энергияның келуі тепе-теңдік емес
күйлердің болуының шарты болып табылады.
Тірі организмдер сыртқы энергияның реттелген құрылымға айналуы есебінде өмір
сүреді. Жоғарыда қарастырылған Бенар ұяшағы – сырттан келген энергияның есебінде
қалыптастырылған реттелген құрылым. Егер сұйық қабатын төмен жағынан қыздыруы
тоқтатылса, онда Бенар ұяшақтары жойылады.
Өздік ұйымдасу кезінде жүйелердің бейсызықтығы маңызды болады. Бұл
терминге анықтамасын беруге киындықты тудырады. Жүйе мен орта арасында кейбір
жағдайларда кері оң байланыс қатынастар қалыптасу мүмкін. Жүйе өзі орналасқан
ортаға әсер еткенде, ортаның белгілі шарттары қалыптасады, ал олардың пайда болуы
жүйенің өзгеруіне әкеледі. Ашық жүйе мен ортаның мұндай әрекеттесуінің нәтижелері
әртүрлі болуы мүмкін. Тепе-теңдікте және ашық болмағандықтан, сызықты емес
жүйелер ортада біртектіеместіктерді тудырады және олардың болуына әсер етеді.
Көптеген микропроцестердің тепе-теңдіксіз өтуіне байланысты жүйе
макродеңгейде бөлек алынған микроэлементінен сапалы ерекшеленетін белгілі бір
қорытқы қабілеттілікке ие болады. Диссипаттық қасиеті болғандықтан, тепе-теңсіздік
жүйелерде тосын түрде құрылымдардың жаңа түрлері пайда болуы, ретсіздіктен
реттелуге ауысулары, материяның жаңа динамикалық күйлері пайда болуы мүмкін.
Наноқұрылымдарды қалыптастыру әдістерінің арасында өздік ұйымдастыруды
пайдаланатын нанотехнологиялар маңызды болады. Өздік ұйымдастыру көмегімен
бөлек
атомдардан
құрылатын
наноқұрылымдарды
жасауға
болады.
Нанотехнологиялардың үлкен мәселелерінің бірі – жаңа материалдарды немесе
қондырғыларды алу үшін молекулаларды алдын ала берілген тәсілмен топтасу мен
өздік ұйымдасуы.
Белгілі жағдайда микро- және нанообъектілер өздігінен реттелген құрылымдар
түрінде құрастырылады. Табиғаттың фундаменталды заңдарына қарсылық жоқ, себебі
бұл жағдайда жүйе оқшаландырылған жоқ және нанообъектілерге сыртқы әсер
келтіріледі. Жоғарыда айтылып кеткен әдістерінен айырмашылығы бар – бұл әрекет
бөлек алынған бөлшекке емес, барлығына бағытталған. Жасалынатын жағдайларда
нанообъектілер өздігінен бір мезетте алдын ала бекітілген кеңістіктің нүктелеріне
орналасады. Осындай ерекше жағдайлар қалыптастыруын қолданатын процестер өздік
құрастыру процестері деп аталады.
Бильярдта шарлар «пирамидаға» жинақталады – тұйық көлемде шарлар өздігінен
біржақты ұшбұрышқа жинақталады. Егер де оларды үлкен жәшікке «төгіп», сәл сілкіп
жіберсек, олар өздігінен идеалға жақын реттелген құрылымды құрайды. Кейбір
жағдайларда бірсортты атомдарды шектелген көлемде реттелген біртекті өлшемді
шарлар ретінде қарастыруға болады. Химия мен кристаллографияда «тығыздатылған
шар жинақтауы» термині бар.
Бильярд шарлары мысалына ұқсас нанобөлшектер қатты денелердің беттігінде
өздігінен жинақталу мүмкін. Нанобөлшектердің мұндай «жабысуының» негізгі себебі –
әртүрлі күштер. Бұл күштер нанобөлшектер беттігінің жалпы ауданын және де олардың
беттік энергиясын азайтуға ұмтылады.
Диаметрі 4 нм бар алтын нанобөлшектерінің реттелген топтары (массивтері)
алғашқы рет 1995 ж. алынды, ал екі айдан кейін кадмий селенидінің монодисперсиялық
беснанометрлік бөлшектер жинақталды. Неғұрлым бастапқы нанобөлшектер біртекті
болса, соғұрлым олардың массивте орналасуы «дұрыстау» болады. Егер өздігінен
жинақталатын компоненталардың жеткілікті мөлшерін пробиркаға салып, оларға керек
конфигурацияларға автоматты түрде жинақталуға мүмкіндік берілсе, онда
нанобөлшектердің нанокристалдарды алуға болады.
Бүгінгі таңда Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, Fe-Pt, Au-Ag нанокристалдардың, Fe-Pt, Au-Ag
қорытпаларының, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni және т.б. екіөлшемді және
үшөлшемді ұйымдасқан массивтері жасалынған.
Бұдан басқа, анизотропты нанобөлшектер үшін бағдарлық-реттелген массивтерді
қалыптастыруға болады. Өлшеммен біртекті нанобөлшектерді кеңістікте реттелген
бірөлшемді «жіптер», екіөлшемді тығыз жинақталған қабаттар, үшөлшемді массивтер
немесе «шағын» кластерлер болып табылатын құрылымдарда «жинақтауға» болады.
Нанобөлшектердің ұйымдасу түрі және пайда болатын массивтің құрылымы
бөлшектердің синтез жағдайларына және диаметріне, құрылымға сыртқы әсерінің
табиғатына тәуелді.
Қазіргі таңда микробөлшектерден пайдалы реттелген құрылымдарды алуға
мүмкіндік беретін өздік құрастырудың әртүрлі әдістері бәріне белгілі. Берілген жүйеде
өздік құрастыру болатын ерекше жағдайларды жасау үшін гравитациялық, электр
немесе магниттік өріс, капиллярлық күштер, жүйелер компоненталарының
дымқылданғыштық-дымқылдандырмаушылық әрекет-тесулерін және т.б. әдістерді
қолдануға болады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
Дәріс №4
Дәріс тақырыбы: Электрондық микроскопиясы
Аннотация. Оптикалық аспаптарға қарағанда ажырату қабілеті анағұрлым
жоғары болып табылатын электрондық микроскопия әдістері, олардың бір-бірінен
өзгешілігі, зерттелінетін үлгілерді дайындау әдістері қарастырылды.
Кілт сөздер: айырудың дифракциялық шегі, өту электрондық микроскопы,
растрлік электрондық микроскоп,
Жоспары
1. Айырудың дифракциялық шегі
2. Электрондық өтілу микроскопиясы
3. Сканерлеу электрондық микроскопиясы
Дәріс тезистері
Адамның көзі 25 см қашықтықта 0,1 мм шамалас объектісін көреді. Одан ұсақ
объектілерді көру үшін әртүрлі оптикалық аспаптар қолданылады: лупа, оптикалық
микроскоп және т.б. Қазіргі оптикалық микроскоптарта ұлғайтқыш күші 1500 есе дейін
барады, яғни олардың көмегімен 10–7 м шамалас өлшемді объектілерді айыруға болады.
Оптикалық микроскоптардың айыру қабілеттілігін әрі қарай арттыру үшін
бірқатар күрделі мәселерді шешу керек. XIX ғасырдың 70-ші жылдары Рэлей
анықтаған айырудың дифракциялық шегі деп аталатын мәселенің болуы:
арақашықтығы мына шамадан төмен объектілерді айырып көруге болмайды
(4.1)
d  0.61 / n ,
мұнда  – жарық толқынның ұзындығы, n – ортаның сыну көрсеткіші.
Айқын, оптикалық диапазон (көз көретін жарық) 400 нм-ден (күлгін) 800 нм
(қызыл) аралықта болады. Сонымен, ең күшті микроскоппен 200 нм-ден кіші
объектілерді көруге болмайды. Бұл диапазонда жүздік және мыңдық нанометр өлшемді
тірі клеткалар орналасады, ал өлшемі нанометрдің бірнеше ондық бөлігін құрайтын
атомдарды оптикалық микроскопта бір-бірінен ажыратылмайды. Ажырату үшін
сәулеленудің толқын ұзындығын 1000 есе азайту керек.
Электрондық микроскоп ажырату қабілетті жарық толқынның ұзындығынан
атомдық өлшемге, дәлірек айтқанда 0,15 нм шамадағы жазықтықаралық
қашықтықтарға, дейін кеңейтті. Электрстатикалық және электрмагниттік линзалар
көмегімен электрондар шоғын фокустаудың алғашқы тәжірибелері XX ғ. 20-шы
жылдары өткізілді. Ең алғашқы электрондық микроскоп И.Руска Берлинде
құрастырған. Оның өту микроскопы ұңтақтарды, жұқа ұлпаларды және қиықты
зерттеуге арналған.
Шағылу электрондық микроскоптар Екінші Дүниежүзілік соғыстан кейін пайда
болған. Кейінірек олардың орнын микроталдау құралдары бар растрлік (сканерлеу)
электрондық микроскоптар басып алды. Ең алғашқы өту электрондық микроскоптарда
субмикрондық ажырату қабілеті болды. Алғашқы растрлік микроскоптар
Ұлыбританияда жасалынды, ал алғашқы микроқұрылымдық зерттеулер Францияда
өткізілді.
Электрондық микроскоптардық ажырату қабілетін шектейтін факторларды
талқылайық. Ол үшін электрондар шоғының фокустаудың негізгі принциптерін
сипаттаймыз. Содан соң өту және растрлік электрондық микроскопия әдістеріне
қойылатын шарттарды салыстырамыз және үлгілерді дайындау процедурасы мен қос
аспаппен алынған кескіндерді талқылаймыз.
Өту электрондық микроскопы өту жарықтағы оптикалық микроскопқа ұқсайды,
бірақ оның конструкциясы оптикалық микроскопына керісінше жасалған. Мұнда
жарық көзінің орнына электрондар көзі (100-400 кэВ энергиялы) қолданылады және ол
микроскоп бағанасының жоғары жағында, ал тіркеу жүйесі – төменде орналасады.
Оптикалық микроскопта – керісінше.
Электрондар көзі ретінде қыздырылған вольфрам жіңішке сымы қолданылады.
Мұнда 5104 А/м2 ток тығыздығы бар электрондар шоғы шығарылады. Айтарлықтай,
лантан гексаборидының (LaB6) кристалы ток тығыздығын 106 А/м2 дейін жоғарлатуға
мүмкіндік береді, ал электрондардың өріс эмиссия кезінде ток тығыздығы 1010 А/м2
шамаға жетеді. Жоғары энергиялы электрондардың шоғы электрмагниттік
конденсорлық линзалар жүйесімен фокусталады. Фокустау линзалардағы ток
реттеуімен жұргізіледі. Оптикалық микроскопта фокустау линзалардың орын
ауыстыруымен жасалады. Үлгі қондырылатын үстелі үлгіні екі жазықтықта еңкейтуге
және z өсі бойымен жылжытуға мүмкіндік беретін күрделі жүйе болып табылады. Өту
электрондық микроскопта шоқтың фокустауы үлгіні z өсі бойымен жылжытуымен
емес, электрмагниттік линзаның тогын реттеуімен жұргізіледі. Кескінді құру жүйесінде
электрмагниттік линзаларды қолданады. Кескін флуоресценттік экранда алынады.
Экранның меншікті ток тығыздығы 10–11–10–11 А/м2 шамалас болады. Кескінді тіркеуге
соңғы кезде цифрлық камералар қолданылады.
Ауада электрондардың еркін жүру жолы өте аз болады. Сондықтан микроскоп
колоннасында вакуум болуы қажет. Шоқ әсерінен үлгінің ластануы («күйіп кетуі») –
оның беттігінде көміртек қабаттың пайда болуы – маңызды мәселе болып табылады.
Бұл микроскоптың жұмыс уақыты мен ажырату қабілетін шектейді. Әдетте вакуумның
дәрежесі кемінде 10–6 торр болуы керек. Өте жоғары үлкейту 10–7 торр вакуумды қажет
етеді және де үлгіні ластандырмау үшін криогендік салқындатуды жасау керек.
Растрлік электрондық микроскопта да жоғары энергиялық электрондар көзі мен
конденсор жүйесі бар. Мұнда үлгі беттігін электрондар шоғымен сканерлеуге
мүмкіндік беретін қосымша электрмагниттік басқару линзасы қолданылады. РЭМ
микроскоптағы басқару линзасы өту электрондық микроскоптағы объективке ұқсас
функциясын орындайды. Сондықтан ол микроскоптың қорытқы ажырату қабілетін
анықтайды. Бірақта, растрлік микроскопта басқару линзасы үлгінің үстінде орналасады
және сигналды жинақтауға ешқандай қатысы жоқ.
Алғашқы электрондардың үлгімен әрекетесу нәтижесінде пайда болатын екінші
реттік электрондар РЭМ микроскопта кескінді қалыптастырады. Мұнда серпімді
шағылған электрондардың сигналы елеулі болады. Өту микроскопқа қарағанда растрлік
микроскопта алғашқы электрондардың энергиясы айтарлықтай төмен болады. Әдетте
ол 5-30 кэВ құрайды, кейбір жағдайларда оны 200 эВ-қа дейін төмендетеді.
РЭМ микроскопта үлгі беттігін электрондар шоғымен сканерлеп кескінді алады.
Сигнал жинақталады, күшейтіледі және өңделеді. Содан соң монитордың экранына
шығарылады. Бұл видеокамераның жұмысына ұқсайды. Мұнда фокусталған кескін
электрондар шоғымен сканерленеді, модульденген сигнал жіберіледі, жазылады да
телеэкранда көрсетіледі.
Үлгі беттігімен әрекеттесу нәтижесінде сигналдардың кең диапазоны
шығарылады: сипаттамалық рентген сәулелері, көрінетін жарықтың аумағындағы
катодты люминисценциясы, үлгінің индуцияланған электр тогы және серпімді
шағылған электрондар. Сипаттамалық рентген сәулелері атомдардың ішкі
қабықшаларынан электрондарды шығарып алғанда шығарылады. Аталған катодтық
люминисценция валенттік электрондардың қозуына байланысты. Алғашқы шоқпен
үлгіден шығарылған төмен энергиялы екінші реттік электрондардың сигналы кескінді
алуға жиі қолданылады. Алғашқы шоқ соққан шектеулі локальдірілген аймақтан үлкен
мөлшерде екінші реттік электрондар шығарылады. Оларды жинақтау, күшейті және
кескінді алу үлкен мәселеге айналмайды. Кескіннің ажыратылуы алғашқы шоқтың
диаметрімен шектеледі.
Өту және растрлік электрондық микроскоптардың жұмыс істеу принциптерінің
негізгі айырмашылығы мәліметтерді жинау мен кескінді қалыптастыруы әдісіне
байланысты. Оптикалық микроскопта сияқты өту электрондық микроскопта мәліметтер
үзіліссіз барлық зерттелінетін аймақтан жиналады, ал үлкейтілген кескін линзалар
көмегімен фокусталады. Басқаша айтқанда, кескіннің барлық нүктелерінен мәліметтер
бір мезетте алынады. РЭМ микроскопта мәліметтер алғашқы шоқтың қозғалуына
байлансыты тізбекті әр нүкте үшін жиналады. Әр нүктеден статистикалы мағынасы бар
сигналды алу үшін уақыт керек. Әр нүктедегі сигналдың статистикалық мағынасын
болдыруына сканерлеу жылдамдығы аса үлкен болмау керек, ал кескінді қалыптастыру
уақыты сканерлеу жылдамдығы мен нүктелер санымен шектеледі. Сонымен,
электрондық микроскоптардың айырмашылығы барлық аймақпен қалыптастырылатын
оптикалық кескіні мен нүктеден нүктеге тізбекті салынатын растрлік кескіннің
айырмашылығында.
Өту электрондық микроскопы үшін үлгілерді дайындаудың сапасы маңызды
мәселе болып табылады. Өту электрондық микроскоптағы жұмыс үш негізгі сатыдан
тұрады: үлгіні дайындау, эксперименттік жұмыс және алынған нәтижелерді
интерпретациялау. Үлгіні дайындаудың бірнеше әдістері бар: механикалық өңдеу,
электрхимиялық улау, иондық улау, қаптаманы тұндыру, реплика әдісі). Жақсы
қондырғылар болған жағдайда жұқа ұлпаны кез келген техникалық материалдан
дайындауға болады. Екінші жағынан, дұрыс дайындалмаған үлгінің зерттеулеріне
уақытты жұмсау керек емес.
Өту электрондық микроскопия әдісімен зерттеуге арналған үлгі 3 мм диаметрлі
және жүздеген микрометр қалындығы бар дискіден дайындалады. Мұндай дискіні
металдық фольгадан немесе морт керамикадан қиып алынады шығыршық материалдан
жонып алынады. Жағдайлардың барлығында микрожарылуды болдырмау керек және
үлгінің жазық беттігін сақтау қажет.
Келесі мәселе – ыспалау мен жылтырату арқылы дискінің қалындығын азайту.
Ыспалаудың тиімді тәсілдің таңдауы материалдың қатқылдығығымен (серпімділік
модулімен), қаттылығымен және илемділігімен анықталады. Илемді металдар, морт
керамикалар мен қатты қорытпалардың жылтыратуы әртүрлі болады.
Үлгінің қалындығын азайтудың үш механикалық тәсілі бар:
(а) – қатқыл төсеніш пен үлгіні жабыстыруға арналған кристалдық балауызды
пайдаланып жазық дискті бір немесе екі жағынан жону керек. Үлгіні жабыстыру үшін
балауызды қыздырылған төсеніште ерітеді. Ұлгінің қалындығы азайғанда ыспалаушы
бөлшектердің өлшемдерін азайтады. Әдетте үлгінің қалындығы 100 мкм-ден төмен
болғанда субмикрондық алмаз бөлшектері қолданылады. Үлгіні төсеніштен алғанда
оны қисық қылатын қалдық кернеулерді болдырмау – бұл ең басты мәселе болып
табылады.
(б) – қалындығын 100 мкм-ге дейін азайтқанда үлгіні төсеніште бекітеді және
ортасындағы аймақты дискпен жонады. Сол кезде жылтыратушы бөлшектер айналады
және үлгі мен дискінің түйісу аймағында тізбектеп материалды кеседі. Мұндай әдіспен
қатты және морт материалдардың орталық аймақтарының қалындығын 20 мкм-ге дейін
азайтады. Бұл әдіс үлгінің қисаюын болдырмайды, себебі қалын болып табылатын
үлгінің шет жағы майысуды шектейтін рамка рөлін атқарады.
(в) – кейбір жағдайларда ортасы жұқарған үлгінің орнына сына тәрізді үлгіні
пайдалануы дұрыстау болады. Мысалы, фазалар аралық аймақтың микроқұрылымын
зерттеуге қажет болғанда фаза шекарасы үлгі беттігіне параллель орналасса мұндай
әдіспен үлгіні дайындау керек. Жұқа көпқабатты құрылымдарды (жартылай өткізгіш
құрылғылар мен композиттік материалдарды) зерттегенде мұндай пішінді үлгіні алуы
тиімді болады. Үлгінің сына тәрізді пішіні мұндай материалдың кез келген қабатының
микроқұрылымын зерттеуге мүмкіндік береді. Өңдеу үшін үлгі қатты төсеніште
бекітіледі, сынаның бұрышы 10-тан аспайды.
Механикалық өңдеу кезінде беттікке жақын аймақта пластикалық ығысу немесе
микрожарылу текті құрылымның бұзылуы пайда болу мүмкін. Өткізгіш металдан
жасалынған үлгінің қалындығын электр жылтырату еріткіште химиялық немесе
электрхимиялық ерітуімен азайтуға болады. Өңделетін аймақ шағын болғандықтан
жұқа үлгілердің өңдеу параметрлерінде макроүлгілерден елеулі айырмашылығы бар.
Жұқа үлгілері үшін токтың жоғары тығыздығын алуға болады. Материалдың суыту
мәселесін шешу үшін химиялық реакцияны еріткіштің ағыншасында өткізуге болады
және де дискінің өңдеуін қос жақтан жасауға болады. Материалды ағыншада
жылтырату процесі ерітіндінің құрамы мен температурасына және ток тығыздығына
байланысты.
Дискте көзбен көрінетін тесік пайда болғанда жылтырату тоқтатылады. Шайып
кептіргеннен кейін үлгі микроскопта орналастырылады. Орталық саңылаудың
айналасындағы аймақтар мөлдір болуы керек (диаметрі 50-200 нм-ге дейін). Зерттеуге
арналған аймақтар шағын болғанда улау ұзақ уақыт алады. Анық аймақтарды алу үшін
ток тығыздығын реттеу немесе ластанған және қызған жылтырату ерітіндіді алмастыру
керек.
Иондық улау әдісімен 1950 ж. француз Рамон Кастэн илемді металдық жұқа
ұлпаларын алды. Ол алюминий фольгасының қалындығын азайту үшін инертті газдың
жоғары энергиялық иондарын қолданды. Сол кезедерде электрхимиялық жылтырату
әдістері басым болғандықтан бұл әдіс қолданбаған. Кейінірек өту электрондық
микроскопиясындағы үлгілерді дайындау кезінде атомдардың беттік қабаттарын алу
мәселесі туындағанда осы әдісті кеңінен пайдаланды.
Иондық улау (атқылау) әдісінде келесі артықшылар бар:
(а) Иондық улау газды фазалық процесс болып табылады. Бұл процесс төмен
қысымда өткізіледі. Сол кезде беттіктің ластану дәрежесін бақылау қиындыққа
түспейді.
(б) Электр химиялық әдістердің қолдануы тек өткізгіш металдармен шектеледі.
Иондық улау әдісімен ток өткізбейтін материалдар да өңделеді.
(в) Иондық улау материалдың беттік радиациялық бұзылуына әкелуі мүмкін.
Бұзылу дәрежесін процестің параметрлерін таңдауымен азайтуға болады.
(г) Иондық улау алдында өткізілген электр жылтырату кезінде беттікте пайда
болған тотық қабаттарды кетіруге мүмкіндік береді. Процесс төмен температурада
жүргізілетіндіктен, беттік диффузия болмайды, яғни беттіктің құрамы өзгермейді.
(д) Иондық улаумен төсенішке қабат-қабатымен қондырылған көпқабатты
материалдарды қабаттарға перпендикуляр жазықтықта өңдеуге болады. Химиялық
улаудың стандартты әдістерінде мұндай мүмкіндік жоқ.
(е) Иондық улау әдісімен 1 мкм-ден төмен өлшемді аймақтарды өңдеуге болады.
Химиялық әдістерде мұндай мүмкіндігі жоқ. Иондық улауды жұқа ұлпаларды алу
кезінде пайдалану тиімді.
Бұл әдісте кемшіліктері бар. Егер иондар шоғы үлгі беттігіне перпендикуляр
болса және иондар мен өңделетін материалдың атомдарыны атомдық салмақтары
жақын болса, улаудың жылдамдығы максимал мәнге ие. Иондар шоғында импульс
болғандықтан 90 бұрышта беттік қабаттың микробұзылуы максимал болады. Иондар
мен өңделетін беттік арасында химиялық әрекеттесу болдырмау үшін шоқ ретінде тек
инертті газдардың (көбісінде аргонның) иондары қолданылады.
Иондар энергиясын көбейтіп улау жылдамдығын арттыруға болады. Бірақ, бұл
жолы иондар материалға енеді және бұзылған беттік қабатты қалыптастырады.
Практикада иондар энергиясы бірнеше килоэлектронвольттан аспайды. Сонда ену
тереңдігі аса үлкен болмайды және материалды бұзбай иондардың беттікке
диффузиясы өтеді.
Әдетте иондардың түсу бұрышы 15-тан төмен және шоқтың энергиясы 5 кэВ
болғанда улау жылдамдығы 50 мкм/сағ аспайды. Біртекті өңдеу болу үшін иондармен
атқылау кезінде үлгі айналдырылады. Улау жылдамдыған арттыру үшін өңдеудің
алғашқы сатында улау қос жақтан 18 бұрыштан басталады. Содан соң, шоқтың
бұрышын, сәйкесінше, процестің жылдамдығын азайтады. Жазық беттік пен кең
аймақта ұлпаның бірдей қалындығын алуға мүмкіндік беретін минимальды бұрыш
иондар шоғының геометриясымен анықталады. Шоқ бұрышы өте аз болғанда иондар
беттікке түспейді, камераның тозаңдатылатын материалы беттікке түседі және оны
ластайды. Өңдеудің соңғы сатысында шоқтың түсу бұрыштары 2-6 құрайды.
Үлгі беттігінде саңылау пайда болғанда өңдеу тоқтатылады. Замануи иондық
қондырғыларда өңделетін аймақты жұмыс процесі кезінде қадағалауға болады.
Электрондық шоқта электр заряды болғандықтан микроскоптың жұмыс істеу
кезінде үлгі зарядталуы мүмкін. Үлгінің заряды үлкен шамаға жеткенде үлгіні электр
өткізетін қабатпен қаптау керек. Көміртек аморфты құрылымы мен төмен атомдық
нөмірге ие болуына байланысты мұндай қабат ретінде көміртек қабаты қолданылады.
Бір-біріне тиіп тұрған екі көміртекті білектен электр тогын жіберіп қаптаманы
алады. Екінші әдісте көміртекті инертті газ иондарымен атқылап көміртекті
материалдың тозаңдатуын алуға болады. Кейбір материалдарды қос жағынан қаптау
керек болады. Өте жұқа (5-10 нм) қаптамалар кескінде дұрыс көрінбейді.
Өту электрондық микроскопқа жұқа үлгіні дайындамай кейбір кезде беттіктің
репликасын (ізін) жасайды. Растрлік электрондық микроскоп қолданғанда реплика
жасау қажеті жоқ. Реплика дайындаудың бірқатар себептері бар:
(а) Үлгіні кесуге болмайды. Үлгіні кескеннен кейін оны пайдалануға болмайды.
(б) Үлгі беттігінде белгілі фазаларды іздестіргенде. Репликаның беттігі мұндай
фазалардың морфологиясын анық көрсетеді және оларды идентификациялауға
мүмкіндік береді.
(в) Химиялық
улаумен
көпфазалық
материалдың
бір
компонентасының
экстракциялауын жасалынады. Бұл компонентті алғашқы материалда қозғамай
репликада белгілеп қоюға болады. Таңдалған фазаның химиялық құрамын,
кристографиялық құрылымын және морфологиясын негізгі материалдан
оңашаланған түрде зерттеуге болады.
(г) Репликаның кескінін растрлік электрондық микроскопта алғашқы беттікпен
салыстыруға болады. Мысалы, механикалық қажу кезінде сынау процесінде беттік
өзгереді. Реплика көмегімен оның өзгеру динамикасын байқауға болады.
Стандартты әдістеме илемді полимер көмегімен негативті реплика алуында
негізделген. Реплика эпоксидты шайыр немесе еріткіштің булануға дейін зерттелінетін
беттікке бастырылатын полимерлік ұлпаның жұмсартылған еріткішімен алынады.
Кейбір жағдайларда беттіктің ластануын кетіру керек. Ол үшін қорытынды реплика
алуға дейін беттікті ультрадыбыспен тазартады немесе беттік «тазартатын» репликадан
кейін қорытынды репликаны алады.
Полимерлік реплика қатқаннан кейін оны зерттелінетін үлгіден бөліп алады және
кескін анық болу үшін ауыр металмен (алтын мен палладий қорытпасы)
көлеңкілендіреді. Таңдалған металдың тамшылары минимал өлшемді болуы керек, ал
электрондардың шашырауы – максимальды. Әдетте металдық тамшының өлшемі 3 нм
шамада болады. Металмен көлеңкілендіргенде полимерлі репликаға 100-200 нм
қалындықты көміртекті ұлпаны қондырады. Содан кейін полимерді ерітеді. Көміртекті
ұлпаны алғашқы беттіктен полимермен алынған бөлшектерімен және металдық
қабатымен бірге шайып болғаннан кейін жұқа мыстан жасалынған торға қояды да
микроскопқа енгізеді.
Растрлік электрондық микроскопия әдісі беттіктегі бөлшектерді зерттеуге
арналған. Электрондар шоғы магниттік линзалармен сығылып жіңішке (1-10 мм)
зондқа айналады. Зонд объект бойымен бір нүктеден екінші нүктеге қозғалады, яғни
беттікті сканерлейді. Сәулелер тіркелінеді және электр сигналдарға түрлендіріледі.
Алынған сигналдар күшейтіледі және электрондық-сәулелік түтікшеге жіберіледі.
Ұқсас жағдай телевизордың кинескопында болады. Әдістің артықшылығы – жоғары
ақпараттылығы, ал негізгі кемшілігі – өлшеу процестің ұзақтылығы. Жайманың
жылдамдығы шағын болғанда микроскоптың ажырату қабілеті жоғары болады.
Сәулелендіру кезінде бөлшектердің агрегациясы пайда болуы мүмкін.
Растрлік (сканерлеу) электрондық микроскоптың конструкциясы өту
электрондық микроскоп конструкциясына ұқсайды. РЭМ микроскопында электрондар
шоғы зерттелінетін объектінің беттігін толығымен сәулелендірмейді, ол тек қана
белгілі нүктеде тоғысталады және ауытқытушы жүйе арқылы беттікті сканерлейді. Бұл
сканерлеу микроскоптың принципті айырмашылығы болып табылады.
Беттіктен шағылысқан электрондар детектормен тіркеледі, сонда беттік
құрылымы туралы мәліметтер алуға мүмкіндік пайда болады. Бұл жағдайда кескінді
құрастыруға қатысатын электрондар зерттелінетін үлгіден өтпейді, сондықтан үлгі
қалындығына шектеулер қойылмайды және оның дайындалу процедурасы жеңілдейді.
Бұдан басқа, қондырғының ішінде жоғары вакуумды жасауға қажеттілігі жоқ, сонда
микроскоптың конструкциясына жеңілдіктер еңгізіледі. Растрлік электрондық
микроскоптың схемасын М.Кнолль 1935 ж. ұсынған. 1936 ж. М. фон Арденне алғашқы
қондырғыны жасап шығарған. Бірақта әртүрлі техникалық себептерден РЭ
микроскопиясы XX ғасырдың 60-шы жылдарында өркендеді. Мұндай принципте
телевизор экранында кескіннің құрастыруы (растр) негізделген.
Өту электрондық микроскоптардың айыру қабілеттілігі 0,05 нм-ге дейін жетеді.
Растрлік электрондық микроскоптардың айыру қабілеттілігі осы шамаға жақындады
және қазіргі таңда 0,2 нм-ге тең.
Сканерлеу электрондық микроскоппен алынатын кескін көзбен көрінетінге өте
жақын. Оның себебі – микроскоптың айқындылығының тереңдігі көлденең бағытта
оның ажыратуынан едәуір үлкен. Мұндай қасиет адамның көзінде де бар. Оптикалық
немесе өту электрондық микроскоптарда кескін «жазықтық» болады, ал растрлік
микроскопта алынатын кескін таушықтар мен тереңдеулерде жарық пен көлеңкенің
комбинациясы болып табылады.
Растрлік электрондық микроскоппен алынған кескіннің жоғары сапасы және
айқындықтың үлкен тереңдігі бұл әдістің ғылым мен техниканың барлық салаларында
кеңінен таралуына әкелді.
Жоғары энергиялы электрон қатты денемен әрекеттескенде серпімді және
серпімсіз шашырайды. Мұндай әрекеттесудің қорытынды нәтижесінде электронның
энергиясы kT жылулық энергияның деңгейінің азаюына әкеледі.
Растрлік электрондық микроскопта үлгі беттігіне электрондық шоқты
фокустайтын және бағыттайтын басқару линзасы өту электрондық микроскоптағы
объективтің линзасына ұқсас. Кейбір мағынада РЭМ микроскоптың геометриялық
схемасы өту микроскоптың схемасына кері деуге болады. Мысалы, электрондар көзі
өту микроскопта кескін алынатын жерде орналасады. Конденсор шоқты кішірейтеді
(кескінді ұлғаюдың орнына), ал басқару линзасы өту микроскопта электрондар көзі
орналасатын жерде шоқты қалыптастырады. Бұған қоса, электрондар шоғы көздің
кішірейтілген кескіні болып көрінеді.
Электрондар шоғын белгілі бір деңгейден кішірейтуге мүмкіндік бермейтін үш
шектеу бар:
(а) басқару линзаның сфералық және хроматтық аберрациясы, сфералық аберрация
басым болады;
(б) ток шамасы тұрақты болғанда электрондардың кулондық тебілуінің себебінен
шоқтыбелгілі бір өлшемнен кішірейтуге болмайды;
(в) басқару линзаның полюстарының артында үлгілерді орналастыру үшін орын
қалдырау керек (20-100 мм диаметрлі).
Практикада шоқтың минимал өлшемі оның ток шамасымен шектеледі. Шоқтың
тогы оның диметрінің үшінші дәрежесіне пропорционал болады. Сондықтан, шоқтың
қалындығы азайғанда оның тогы тез төмендейді. Электрондар шоғы мен үлгі
арасындағы қашықтық шоқтың минимал өлшемін шектейтін маңызды факторларына
жатады. Аспаптың қажетті ажыратуынан (шоқтың диаметрінен) сфералық
аберрацияның рауалы шамасын анықтайды, ал одан максимал жұмыс қашықтығын
белгілейді.
Электрондардың эмиссиялы-өрістік көздердің қолдануы көздердің өлшемін айқын
азайтуына және шоқ тогының тығыздығын 4 есе арттуына әкелді. Бұл шоқтың
диаметрін азайтуға (ажыратуды жақсартуға) және шоқтың төмен энергияларын
пайдалануға мүмкіндік берді. Соның нәтижесінде 200 эВ энергиялы шоқ үшін 2 нм
ажырату алынады. Салыстырайық: бұған дейін 5 кэВ энергиялы шоқтар үшін 20 нм
объектілерді РЭМ микроскоп көмегімен ажырату қиындыққа түсетін еді. Айтарлықтай,
осы микроскоптың ажырату қабілетіне тек қана аспаптың өзі емес, объект де
байланысты. Мысалы, полимерлік объектілердің ажыратуы (50-100 нм) олардың күйіп
кетуімен шектеледі.
Шоқтың қимасы бойынша электрондардың үлестірілуі және шоқтағы тоқтың
тұрақтылығы да маңызды. Шоқтың диаметрі максималды мәнге қарағанда ток
тығыздығы 2есе азаятындағы үлестірімнің ені ретінде анықталыды. Бірақ та,
электрондар үлестірімінде шоқ өсінен бірнеше микрометрге дейін баратын ұзын
«құйрығы» бар. Жағдайлардың көбісінде бұл ескерілмейді. Фазааралық шекара
құрамының сандық талдауын жасағанда рентген сигналынан алынатын ақпаратқа бұл
«құйрық» әсер ету мүмкін.
Сканерлеу жүйесіне шамалы тоқтайық. Үлгі беттігін шоқпен сканерлеп және
алынған сигналдыы жинақтап, кескін алынады. Мәліметтердің алу жылдамдығы
шоқтың тогымен, сигналды жинақтау тиімділігімен және сканерлеу жылдамдығымен
шектеледі. Әлсіз сигнладар баяу сканерлеуді қажет етеді. Мысалы, сипаттамалық
рентгендік сигналды тіркегенде әрекеттесудің көлденеі қимасы мен мәліметтерді
жинақтау тиімділігі аз болады. Сонда шектік ажыратуы статистика жағынан ақиқат
сигналды алуымен анықталады. Бұл жағдайда талдаудың дәлдігіне шоқтың ток
тұрақтылығы әсер етеді.
Электрондардың серпімсіз шашырау процесін Монте-Карло әдісімен модельдеуге
болады. Ол үшін кристалдық тордың анизотропиясы мен кейбір кристаллографиялық
бағыттарда «каналдау» процестері ескерілмейді. Кездейсоқ соқтығыстарда электрон
кристалда ретсіз қозғалады және жол ұзындығы артқанда энергияның шығындары өседі
Бұл жағдайда электронның қозғалыс траекториясын дәл анықтауға келмейді.
Бірақ, электронның ену тереңдігі мен оның қозғалу аймағының шекарасын («шектеу
конвертін») сипаттайтын ұзындықтың қос сындық параметрін енгізіп өлшеуге болады.
Еркін жолдың xD ұзындығы – бұл электронның ену тереңдігі, оған жеткенде электрон
үш бағытта бірдей ықтималдылықпен қозғалады. xD аз тереңдіктерде электронның
алғашқы өсі бойымен қозғалуы басқа бағыттарға қарағанда басым болады. Ену
тереңдігі деп электронның энергиясы kT жылулық деңгейге дейін азайғандағы xR
деңгейді айтады. Нысананың Z атомдық нөмірі артқанда және шоқтың E0 энергиясы
азайғанда xD және xR азаяды. Айтарлықтай, бұл параметрлердің энергиядан тәуелділігі
жатық болады. Шектейтін конверттің пішіні атомдық нөмірге тәуелді. Оны шектейтін
конверттің көлденең өлшемі xR–xD тең екенімен және ену xR тереңдіктің еркін жолдың
xD ұзындығына қарағанда Z өзгеруінен сезгіштігі аздау болуымен түсіндіріледі.
Кейбір электрондар 90-тан үлкен бұрышқа шашырайды және материалдан
шығып кетуі мүмкін. Шағылысқан электрондардың R үлесі материалдың атомдық
нөміріне тәуелді және шоқ энергиясынан тәуелсіз болады. электрондар кері қарай
беттік қабыитқа шағылысады. Осы қабаттың қалындығы шамамен еркін жүру жолдың
ұзындығына тең. Бұл аймақтың радиусы электрондардың толық ену тереңдігінен
анағұрлым төмен болатын еркін жұру жолдың ұзындығына жақын.
Шағылысқан электрондардың орташа энергиясы алғашқы шоқтың знергиясынан
төмен. Электрондар басқару линзаның полюстарына жақын орналасқан сақиналық
детектормен қабылданады. Оларды тіркеуінің тиімділігі жоғары, бірақ шағылысқан
электрондардың саны алғашқы шоқтағы электрондардың санының аз үлесін құрайды.
Электрондар шоғымен материалды сәулелендіргенде пайда болатын электр тогы
негізінде үлгі беттігінен екінші реттік электрондардың эмиссиясымен анықталады.
Екінші реттік электрондардың эмиссия коэффициенті (1<k<200) дегеніміз бұл алғашқы
бір электронымен материал беттігінен шығарылған электрондар саны.
Әдетте екінші реттік электрондардың энергиясы 10-50 эВ-қа тең, кейбір жағдайда
оның шамасы 200 эВ-қа дейін жетеді. Сол себептен екінші реттік электрондар басқару
тормен (жапқыш кернеумен) ауытқу алады және өте жоғары тиімділік дәрежесімен
(100%-ға жақын) жинақталады. Екінші реттік электрондардың кинетикалық
энергиясының төмен болуы олардың еркін жүру жолдың ұзындығын шектейді. Олар
беттікке жағындағында (1-2 нм қашықтыққа) үлгіден ұшып шығуы мүмкін. Сондықтан,
екінші реттік электрондардың сигналын пайдаланғанда микроскоптың ажырату
қабілеті шоқтағы электрондардың шашырауымен емес, тек алғашқы шоқтың
диаметрімен анықталады.
Екінші реттік эмиссияға әсер ететін факторлар:
(а) Шығу жұмысы – материалдан ұшып шығу үшін Ферми деңгейінде орналасқан
электронға қажетті энергия. Шығу жұмысы бірнеше эВ-қа тең, ол беттіктің құрамы мен
құрылымына (атомдардың жинақталуына) тәуелді. Шығу жұмысы беттікте
адсорбцияланған атомдар мен ластайтын ұлпаның болуына байланысты.
(б) Шоқтың энергиясы мен қарқындылығы. Алғашқы электронның энергиясының
артуы екінші реттік электрондардың санын көбейтуіне әкелу керек еді. Бірақ сол кезде
беттікке жақын аймақта энергияның шығындары азаяды және беттікке шығатын екінші
реттік электрондардың саны азаяды. Екінші жағынан, екінші реттік электрондардың
саны алғашқы шоқтың тогына тура пропорционал болады.
(в) Үлгінің тығыздығы. Материал тығыздығының екінші реттік электрондардың
эмиссия коэффициентіне әсері онша көп емес. Ауыр материалдарда еркін жұру жолдың
ұзындығы аз болғандықтан беттік аймақта энергияның шығындары жоғары болады да
электрондар санының көбеюіне әкеледі.
(г) Беттіктің топографиясы. Мұндай электрондардың шығуына беттіктің тегіс
еместігі көп әсер етеді. Беттіктен шығып тұрған аймақтардан (қисықтықтың оң
радиусына ие) екінші реттік электрондар көбірек ұшып шығады. Керісінше,
тереңдеулерде (теріс қисықтық) үлгіге қайтып келетіндіктен электрондар аз шығады.
Электрондар үдетуші электр өріске түсіп анодпен бір түзу бойымен орналаспаса да
анодқа жетеді (3.10 сурет). Екінші реттік электрондардың қолдануы тегіс емес
беттіктерді зерттеудің ең тиімді аспапы болып табылады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
3. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
6. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. –
М.: Техносфера, 2006.
Дәріс №5
Дәріс тақырыбы: Сканерлеу зондтық және туннельдік микроскопиясы
Аннотация. Сканерлеу зонд микроскопиясының жұмыс істеу принципі
түсіндіріліп, сканерлеу туннельдік микроскоптың негізіндегі кванттық процестері
қарастырылды.
Кілт сөздер: сканерлеу зонд микроскопиясы (СЗМ), атомды-күштік микроскопия
(АКМ), сканерлеу туннельдік микроскопиясы (СТМ)
Жоспары
1. Сканерлеу зондтық микроскопия әдістері
2. Сканерлеу туннельдік микроскопиясы
Дәріс тезистері
Электрондың өту және растр микроскоптары микро- және нанообъектілерін
зерттеуге мүмкіндік берді. Бірақта, электрондық микроскоптардың техника жағынан
қиындықтары және бұл әдістерінің фундаменталды шектеулері болғандықтан, жаңа
тәсілдер іздестірілуде. Сканерлеу зонд микроскопиясы (СЗМ) мұндай жаңа тәсіл болып
табылады. СЗМ атомды-күштік және туннельдік микроскопиясына бөлінеді. Оларды
біріктіретін конструкцияның деталі – бірнешеу атомдық радиусы өлшемді өте жіңішке
ұшы бар инесі болып табылатын зонд. Атомды-күштік микроскопиясында үлгінің
сканерлеу аймағының кез келген нүктесінде зондтың беттікпен әрекеттесуінің күші
анықталады.
Зонд микроскопиясының жұмыс істеу принципін түсіндіру үшін, зонд пен үлгі
арасында өзара әрекеттесуінің (механикалық, электрлік, магниттік және басқа) күші
қарастырылады. Беттік үстімен зонд қозғалғанда зонд ұшы мен үлгі беттігі арасындағы
қашықтығының өзгеруі 5.1 суретінде көрсетілген.
5.1 сурет – Беттік атомдарының үстімен зондтың орын ауыстыру кезінде зонд пен үлгі
беттігі арасындағы қашықтығының өзгеруі
Өзара әрекеттесу күштері атомаралық қашықтықтар артқанда шапшаң азаяды.
Зонд пен үлгі әрекеттесуінің ең үлкен үлесін зонд ұшында мен үлгінің көршілес
атомдары арасында пайда болатын күш келтіреді. Егер атом радиусының жартысынан
төмен қашықтыққа зондты орын ауыстыруын меңгерсек және сол кезде әрекеттесу
күші қалай өзгеретінін өлшесек, беттіктегі бөлек атомдарды «сезуге» болады. Мұндай
процесс үлгінінің сканерлеу процесі деп аталады. Сканерлеу кезінде жинақталған
мәліметтер компьютер көмегімен өңделеді. Соның нәтижесінде бөлек атомдарының
орналасуы көрінетін беттігінің кескіні алынады.
Сонымен, СЗМ көмегімен атомдарды көру үшін:
– атом өлшемдерінен төмен қашықтыққа зондты (немесе үлгіні) орын ауыстыруға
үйрену керек;
– біратомды өлшемдеріне дейін зонд ұшын ұштау керек;
– бөлек алынған атомдар арасындағы әрекеттесу күшін өлшеуін меңгеру керек.
Мұндай күштерінің үлестіруі компьютер экранына шығарылады. Сонда беттік
топологиясы туралы болдау жасауға болады.
Туннельдік микроскопиясында үлгінің сканерлеу аймағының кез келген
нүктесінде зонд пен өткізгіш беттік арасындағы туннельдік ток өлшенеді. Сондықтан,
туннельдік микроскопиясында тек қана өткізгіш материалдар (металдар мен жартылай
өткізгіштер) қолданылады.
Өлшеу өткізудің алдында зондтың өрескел жеткізу мен позициясын анықтау
зондты біртіндеп үлгіге бірнеше нанометрлі қашықтыққа жақындатады. Содан соң,
электроника басқаруымен зонд пен беттіктің әрекеттесуі өте жоғары дәлдікпен
өлшенеді, соның нәтижесінде зондтың орналасуы нанометрдің мыңдық бөлігін
құрайтын дәлдікпен түзетіледі.
Тек осыдан кейін үлгі беттігі топологиясының өлшеуі басталады – бірте-бірте
зонд сканерлеу берілген аймағында беттіктің әрбір нүктесін басып өтеді, туннельдік
ток немесе әрекеттесу күшін өлшейді және осы мәліметтерді компьютерге жібереді.
Сканерлеу құрылғысы нүктедегі өлшеулерді аяқтап зондты шамамен нанометр
қашықтықта орналасатын беттіктің келесі нүктесіне ысырады. Сондай-ақ, беттік
сканерленеді және атомдық дәлдікпен топология, кедергі, сыйымдылық, қатқылдық
және басқада беттіктің локальді сипаттамалары туралы ақпаратты беретін кескін
алынады. Компьютерлік өңдеу арқылы алынған кескін скан деп аталады.
Сканерлеу туннельдік микроскоп (СТМ) сканерлеу зонд микроскоптардың ішінде
алғашқы іске қосылған. СТМ ажырату қабілеттілігі атомдық деңгейдегі беттіктің нақты
кескіндерін алғашқы түсіріп берген қондырғы (5.2 сурет).
Сканерлеу туннельдік микроскоптар (СТМ) әлдеқашан зерттеу лабораторияның
айырылмас бөлігіне айналды. СТМ беттікті бұзбайтын әдіспен зерттеуге арналған
құрылғыға жатады.
Ең алғашқы сканерлеу тунельдік микроскопты 1981 ж швейцариялық IBM
бөлімінің қызметкерлері Герд Биннинг пен Гейнрих Ререр ойлап тапты. Оларға 1986 ж.
физика бойынша туннельдік микроскопты ойлап тапқандары үшін Нобель сыйлықтары
берілді. Туннельдік микроскоптың жұмыс істеу принципі барлық басқа
микроскоптардан ерекше және бөлшектердің кванттық табиғатына негізделген. Оның
жұмыс істеу негізінде туннельдік эффект жатыр.
5.2 сурет – Г.Ререр мен
Г.Биннинг алған
монокристалдық кремний
беттігінің атомдық кескіні
Туннельдік эффект, туннельдендіру – микробөлшектердің толық энергиясы
(туннельдендіру кезінде тұрақты болып қалатын) тосқауыл биіктігінен кіші болған
кезде, микробөлшектердің потенциалдық тосқауылдан өтіп кетуі.
Туннельдік эффект – кванттық табиғаттың ерекше құбылысы. Туннельдік
құбылыстың негізінде қатты дене физикасы, атомдық ядро физикасы мен атомдық және
молекулалық физикасының көптеген маңызды процестері жатыр.
Классикалық механикаға сәйкес бөлшек тек потенциалдық энергиясы толық
энергиясынан аз болатын кеңістіктің нүктелерінде бола алады. Бұл (классикалық
физикада) бөлшектің кинетикалық энергиясы
P2
(5.1)
E kin 
 E  U pot
2m
теріс мәнге ие бола алмайтынына әкеледі, бұл жағдайда импульс минимальді шамаға ие
болады. Яғни егер кеңістіктің екі облысы потенциалдық тосқауыл арқылы бөлінген
болса, онда U pot  E , бөлшектердің сіңіп кетуі классикалық теория шеңберінде
мүмкін емес. Кванттық механикада импульстың жорамал мәні тек қана толқындық
функцияның координаталарынан экспоненциалды тәуелділікке сәйкес келеді. Мұны
потенциал тұрақтысы бар Шредингер теңдеуінен көруге болады (жеңіл болу үшін
бірөлшемді жағдайды алайық):
d 2  2m
E  U pot   0


dx 2
(5.2)
( x – кордината; E – толық энергия; U pot – потенциалдық энергия;  – Планк
тұрақтысы; m – бөлшектің массасы); шешімі болып табылатын функция


2mE  U pot  
2mE  U pot  
  B exp   ix

  A exp   ix










(5.3)
5.3 сурет – Екі бөлшектің туннельдік
түйісуінің зоналық диаграммасы
Яғни өз табиғаты бойынша электрон толқындық, сонымен қатар катар
корпускулалық қасиеттерге ие. Оның қозғалысы Шредингер теңдеуі – толқындық
функция көмегімен суреттеледі, толқындық функция – электронның кеңістіктің
берілген нүктесінде берілген уақыт мезетінде табылуының ықтималдық тығыздығын
сипаттайтын квадрат модулі.
Туннельдік эффектті сонымен қатар төмендегідей түрде жазылған
анықталмағандық қатынаспен түсіндіруге болады:

xp 
(5.4)
2
бұл кванттық бөлшектің координата бойынша, яғни бөлшектің ұлғаюының х бойынша
анықталуы кезінде оның импульсі p азырақ анықталатынын көрсетеді. Кездейсоқ түрде
импульстің анықталмағандығы Δp бөлшекке тосқауылдан өтіп кетуі үшін энерия қосуы
мүмкін. Осылайша, кванттық бөлшек қайсыбір ықтималдықпен тосқауылдан өтіп
кетеде алады, бөлшектің орташа энергиясы өзгеріссіз қалады.
Ток өтуі болу үшін үлгі мен ине ұшы өткізгіш немесе жартылай өткізгіш болу
керек. СТМ арқылы диэлектриктің кескінін алуға болмайды. Қос металдық дене
арасындағы туннельдік ток туннельдік эффектісінің формуласына сәйкес келесі
теңдеумен сипатталынады:
1/ 2
(5.5)
I  10 exp  C  jz  ,
–1/2
мұнда C – 10,25 (эВнм) ; j – потенциалдық тосқауылдың биіктігі; z – электродтар
арасындағы қашықтық; I – туннельдеу тогы.
z саңылауы 0,1 нм-ге азайғанда потенциалдық тосқауылдың 4 эВ-қа шамамен тең
типтік биіктігінде туннельдік ток едәуір төмендейді. Мұндай қасиеттердің себебі:
туннельдік микроскоптың ұшы үлгіге өте жақын орналасу керек (0,5-1 нм). Туннельдік


токтың қашықтыққа экспоненциалдық тәуелділігі болғаннан, СТМ өте жоғары
сезімділікке ие. Туннельдеу көмегімен 0,001 нм өлшемді объектілерді өлшеуге болады.
Туннельдік эффект макроскопиялық жүйеде көрсеткіштік қатарға ие. Туннельдік
заряд тасымалдаушылар потенциадық тосқауыл арқылы p-n ауысуы туннельдік диодта
практикалық қолданысқа ие болды. Туннельдік заряд тасымалдаушылар жұқа оксидті
пленка арқылы, диэлектрлік қасиетке ие металдар қатарын жабушы (көбіне алюминиді)
және өткізгіштердің механикалық байланыстарының нүктелерінің өткізгіштігін
қамтамасыз етушілер. Жоғарғы өткізгіштіктердегі бұл құбылыс Джозефсон эффектісі
деп аталатын болды. Алдын ала бекітілген жағдайларда пайда болған ток, туннельдік
эффектпен түсіндіріледі және туннельдік ток деп аталады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учеб.пособие. – М.:
МГИЭТ (ТУ), 1996. – 91 с. ISBN 5-7256-0107-2
5. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2005.
– 144 с. ISBN 5-94836-034-2
6. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
7. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Зотов А.В., Саранин А.А. Введение в сканирующую туннельную микроскопию. –
Владивосток, 2002.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
Дәріс №6
Дәріс тақырыбы: Өрістік иондық, атомды-күштік және жақын өрістік оптикалық
микроскопиясы
Аннотация. Иондық микроскоп, атомды-күштік микроскоп және жақын өрістік
оптикалық микроскоп жұмыс принциптері айқындалды.
Кілт сөздер: иондық микроскоп, иондық проектор, атомды-күштік микроскоп,
қысқа әрекеттегі және ұзын әрекеттегі күштер, Леннард-Джонс потенциалы, жақын
аймақ, алыс аймақ
Жоспары
1. Өрістік иондық микроскопия
2. Атомды-күштік микроскопия
3. Жақын өрістік оптикалық микроскопиясы
Дәріс тезистері
Өрістік иондық микроскоп неміс ғалымы Э.Мюллер 1951 ж. ойлап тапқан. Жұмыс
істеу принципі бойынша иондық микроскоп электрондық микроскопқа ұқсайды.
Иондар шағы объект арқылы өтеді және әртүрлі оның учаскілерінде шашырату мен
жұтылуға ұшырайды. Содан соң, иондық шоқ электрстатикалық немесе магниттік
линзалар жүйесімен тоғыстанады және экран немесе фотоқабатта объекттің
үлкейтілген кескінін береді. Кескінді алу үшін бейнелейтін деп аталатын газдың
иондары қолданылады. Металға электрондардың «туннельдеу» есебінде күшті электр
өрісінде металл беттігінде газ молекулалар мен атомдардың иондау құбылысы
бейнелейтін газ иондарын алуға қолданылады. Бейнелейтін газ ретінде гелий және
басқа инертті газдар алынады.
Электронды микроскопқа қарағанда иондық микроскоптың принципті
артықшылығы бар. Ионның массасы электрон массасынан анағұрлым үлкен.
Сондықтан, мұндай бөлшекте   h/ mv формуласымен анықталатын толқынның
дебройль ұзындығы (үдетуші кернеу бірдей болғанда) сондай есе аз болады. Теория
бойынша, бұл айыру қабілеттілігінің өсуіне әкелу керек.
Қазіргі таңда, иондық микроскоптың тек бірнешеу тәжірибелік үлгілер алынды.
Оның себебі, иондық микроскопта кескінді алу ерекшелігі. Беттікті ауыр иондармен
атқылауы зерттелінетін беттіктің бұрмалануына әкеледі. Бос орындардың тез
«жазылуы» өтеді, шығып тұрған атомдар айырылып кетеді. Соның нәтижесінде
идеалды реттелген атомдардың орналасуының біртекті кескіні алынады. Тірі
объектілірді мұндай микроскоппен зерттеуге болмайды. Бұдан басқа, қарқынды иондық
шоқтың әсерінен экранның люминофоры қирайды. Иондық микроскоптың түрі ретінде
иондық проекторды есептеуге болады. Иондық проектор қатты дене беттігінің бірнеше
миллион есе үлкейтілген кескінін алуға арналған линзасыз ионды-оптикалық аспап
болып табылады. Иондық проекторының принципті схемасы 6.1 суретінде көрсетілген.
Оң электрод және экранға беттігі бейнеленетін үлгі ретінде жінішке иненің ұшы
алынады. Аспаптың ішкі көлемін толықтыратын газ атомдары күшті электр өрісінде
ұшы беттігінің жақын аймағында оған өзінің электрондарын беріп иондалады. Пайда
болған оң иондары өріс әсерінен радиалды (ине ұшының беттегіне перпендикуляр)
үдеуге ие болады да, теріс потенциалы бар флуоресценттеуші экранға ұмтылады және
оны атқылайды. Экранның әрбір элементінің жарқырауы оған келетін иондық тоғының
тығыздығына пропорционал болады. Сондықтан, экрандағы жарқыраудың үлестірілуі
үлкейтілген масштабта ұшының жақын аймағындағы иондардың пайда болуының
ықтималдылығын көрсетеді. Үлкейту M масштабы экран R радиусының ине ұшының r
радиусына қатынасы түрінде анықталады: M  R / r . Неғұрлым ұшы жіңішке болса,
соғұрлым үлкейтуі жоғары болады.
Ұшы жақын аймағында электр өріс біртекті емес болады: кристалдық тордың
баспалдақтары мен бөлек шығып тұрған атомдарының үстінде өрістің кернеулігі
арттады. Мұндай учаскілерде ионда процесі қарқынды өтеді және уақыт бірлігінде
пайда болатын иондар саны өседі. Экранда бұл учаскілер жарық нүктелер болып
көрінеді (6.2 сурет). Басқаша айтқандай, беттіктің контраст кескіннің құрылуы оның
локальды микрорельефінің болуымен анықталады. Иондық ток және кескіннің жарығы
мен қарама-қарсылығы газ қысымы өскенде артады. Иондық проектердегі газ қысымы
шамамен 0,001 сын. бағ. мм аспайды. Иондық проектор көмегімен бөлек атомдардың
(сақиналардағы ақшыл нүктелер) ажырату есебінен кристалдық тор баспалдақтарының
бисер-тізбектік құрылымын айыруға болады.
6.1 сурет – Иондық проектордың схемасы:
1 – сұйық сутегі; 2 – сұйық азот; 3 –
иненің ұшы; 4 – өткізгіш сақина; 5 – экран
6.2 сурет – 22 К температурада гелий
иондық проекторінде 106 есе үлкейтілген
95 нм радиусы бар вольфрам ұшы
беттігінің кескіні
Иондық проектордың қолданылулары кең. Оларды таза металдар мен әртүрлі
қорытпаларының атомдық құрылымын, оның механикалық қасиеттерімен байланысын;
кристалдағы әртүрлі ақаулар, әсіресе дислокациялар мен радиоактивті сәулелендірумен
қоздырылған бұзылуларды; материалдар қасиеттеріне өңдеу әдістерінің (мысалы,
пластикалық деформацияларының) әсерін зерттеуге болады. Оның көмегімен тоттану,
адсорбция мен десорбция процестері, металдар беттігіне тұндырылған жұқа
ұлпаларының қасиеттері зерттелінеді. Қазіргі таңда иондық проектор көмегімен
биологиялық молекулалардың құрылымын зерттеуге арналған жұмыстар жасалынуда.
Иондық проектордың айыру қабілеттілігі 0,2-0,3 нм құрайды.
СТМ-пын ашылғаннан 5 жылдан кейін (1981 ж.) Р.Биннинг К.Куэйтпен және
К.Гербермен атомды-күштік микроскопы (АКМ) деп аталатын микроскоптың жаңа
түрін ойлап тапқан. СТМ сияқты ол зондты сканерлеу микроскопы болып табылады
(6.3 сурет).
6.3 сурет – АКМ зондтық бергіштің схемасы
Мұнда туннельдік ток емес, ине ұшы мен үлгі беттігінің әрекеттесу күші
өлшенетін шама болып табылады. Беттіктен зондқа әсер ететін күш консольдың иілуіне
әкеледі. Иілудің шамасын тіркеп әрекеттесу күшті анықтауға болады. Зонд пен
беттіктің арақашықтығы өзгергенде әрекеттесу атомдар күштерінің өзгеруі 6.4 суретте
схема түрінде көрсетілген.
6.4 сурет –АСМ жұмыс режимдерін анықтайтын атомаралық күштің ине ұшы мен үлгі
арасындағы қашықтықтан тәуелділігінің қисығы
Жаңа микроскопта СТМ-ның шектеулері жоқ. АКМ көмегімен атмосфера
жағдайында өткізетін және өткізмейтін материалдардың атом ажыратуымен беттік
кескіндерін алуға болады. Беттіктер топографиясын өлшеуімен қоса олардың электр,
магниттік, серпімді және басқада қасиеттерін көзкөрімдеу мүмкіншілігі атомды-күштік
микроскоптардың қосымша артықшылығы болып табылады.
Ине беттікке жақындағанда, иненің атомдарының үлгі атомдарына тартылу күші
арттады. Атомдар бір-біріне жақындағанда, олардың электрондық бұлттары тебіле
бастайды. Атомралық қашықтықты әрі қарай азайтқанда электрстатикалық тебілу
экспонентті түрде тартылу күшін әлсіретеді. Атомаралық қашықтығы 0,2 нм-ге
жеткенде осы күштер теңеседі (6.4 сурет).
Зондтың беттікпен өзараәрекеттесу күштері қысқа әрекеттегі және ұзын
әрекеттегі күштерге бөлінеді. Ине ұшы мен беттік атомдарының электрондық
қабықшалары қиылысқанда қысқа әрекеттегі күштер шамамен 0,1-1 нм қашықтықта
пайда болады және қашықтық өскенде шапшаң азаяды. Беттік атомдарымен қысқа
әрекеттегі өзара әрекеттесуге тек қана ине ұшындағы бірнеше атомдар қатысады.
Осындай түрлі күштер көмегімен беттік кескінін алу кезінде АКМ түйіскен режимінде
жұмыс істейді.
Ұзын әрекеттегі күштерінің пайда болуы ван-дер-ваальс, электрстатикалық
немесе магниттік өзара әрекеттесуімен анықталады. Мұндай күштердің қашықтықтан
тәуелділігі өте әлсіз болады және осы күштер ине–үлгі саңылауының шамасы 0,11000 нм болғанда сезіледі. Атомаралық қашықтық артқанда ұзын әрекеттегі күштер
баяу азаяды. Сондықтан, бұл әрекеттесуге қатысатын зонд инесінің ұшын құрайтын
атомдар саны едәуір болады. Ұзын әрекеттегі күштерін қолданғанда беттіктің зерттеуі
түйіспеген режимінде өтеді.
АКМ жұмыс істеу режимі әрекеттесу түріне байланысты. Түйіскен режимде
(атомаралық күштер графигінде тебілу аймағына сәйкестенеді) зонд үлгіге қысылады.
Электрондық қабықшалардың қиылысуы мен ядролардың кулондық тебілуі ине ұшы
мен беттік атомдары өзара тебілуіне және соның нәтижесі зондтың ауытқуына әкеледі.
Түйіспеген режимінде (атомаралық графигінде тартылу аймақтарына
сәйкестенеді) АКМ үлгі мен сканерлеу иненің ұшы арасындағы ван-дер-ваальс
күштерін бақылайды. Ұшы мен үлгі арақашықтығы 5-10 нм-ге тең. Түйіскен және
түйіспеген режимдер арасында сканерлеу процесінде беттікпен иненің периодты
қысқауақытты түйісу режимі орналасады. Бұл режимде консоль шамамен 50-100 нм
жоғары амплитудалы өздік резонансты жиілікте тербеледі. Мұндай амплитудаларда
тепе-теңдік күйден төменге консольдің максимал ауытқу моментінде ине беттікпен
түйіседі. Сонда консоль тербелістерінің жиілігі, фаза мен амплитудаларын өзгереді.
«Қағу» режимінде түйісу режиміне қарағанда горизонтальды жазықтықта жоғары
айыруымен сипатталынады.
Атомды-күштік
микроскоптың
жұмысын
ван-дер-ваальс
күштерімен
түсіндіріледі. Қос атомның әрекеттесу энергиясын (арақашықтығы r болғанда)
Леннард-Джонс потенциалы деп аталатын дәрежелік функциясымен сипаттайды (6.56.6 сурет):
6
12

 r  r  

U LD r   U 0  2 0    0  
r
r

     

6.5 сурет – Леннард-Джонс
потенциалының сапалық түрі
(6.1)
6.6 сурет – Зонд пен үлгі әрекеттесу
энергиясын есептеу схемасы
Формуладағы бірінші қосылғыш негізінде атомдардың диполь-дипольдық
әрекеттесуімен анықталатын ұзынәрекеттегі тартылуды сипаттайды. Екінші қосылғыш
атомдардың шағын қашықтықтарды тебілетінін ескереді. r0 – атомдардың тепе-теңдік
арақашықтығы; U0 – энергияның минимальды мәні. Леннард-Джонс потенциалы зонд
пен үлгінің әрекеттесу күшін бағалауға мүмкіндік береді. Зонд пен үлгінің барлық
атомдардың элементар әрекеттесулерінің қосындысын алғанда жүйенің жалпы
энергиясы алынады.
Энергия әрекеттесуі үшін келесі өрнек алынады:
WPS 
  U r  r n r n r dVdV 
(6.2)
,
мұнда nS(r) және nP(r) – үлгі мен зондтың материалында атомдар тығыздығы.
Сәйкесінше, беттік жағынан зондқа әсер ететін күш келесі формуладағыдай болады:
FPS   grad WPS  ,
(6.3)
Жалпы жағдайда бұл күштің беттікке нормальды және латеральды (үлгі беттігінің
жазықтығында орналасатын) құраушылары бар.
АКМ көмегімен беттігінің рельеф кескіндерін алу зондтық бергіштегі серпімді
консольдың шағын иілуінің тіркелуіне байланысты. Атомды-күштік микроскопияда
мұндай мақсатпен оптикалық әдістер кең қолданылады.
АКМ жұмысының айтылған принциптері негізінде микроскоптың әртүрлі
модификациялары және беттіктің магниттік, электрстатикалық, механикалық және
басқа да қасиеттерінің өлшеу әдістемелері жетілдірді. Бұл әдістер қазіргі таңда
наноқұрылымдар мен наноматериалдарды өндіруімен байланысты технологиялық
процестерді бақылауға кеңінен қолданылады.
Объектілердің оптикалық кескіндерді алуының дәстүрлі әдістерінде жарықтың
дифракциясына байланысты елеулі шектеулері бар. Дифракция шегі оптиканың негізгі
заңдарына жатады. Ол  толқын ұзындығы бар жарықты пайдаланғанда оптикалық
жүйемен алынатын кескіннің минимальды R өлшемін анықтайды:
LD
P
S
VP VS
R

(6.4)
,
2n
мұнда n – ортаның сыну көрсеткіші. Оптикалық ауқымындағы толқындар ұзындығы
200300 нм құрайды. Жақынөрістік оптикалық микроскопияда объекттің кескін
құрудың басқа принциптері қолданылады. Мұнда жарық дифракциясына байланысты
қиыншылықтардан қашуға және 10 нм деңгейде кеңістіктік ажыратуды жүзеге асыруға
мүмкіндік бар.
Жақынөрістік оптикалық микроскоп (ЖОМ) сканерлеу туннельдік микроскоптан
кейін Цюрихтегі IBM лабораториясының қызметкері Дитер Поль ойлап ашқан. Бұл
аспаптың жұмыс істеу негізінде субтолқындық диафрагмалардан (түсетін сәулеленудің
толқын ұзындығынан едәуір төмен диаметрлі саңылаудан) жарықтың өту құбылысы
жатыр.
Субтолқындық саңылаудан жарық өту кезінде бірқатар ерекшеліктер
байқалынады. Диафрагма аймағындағы электрмагниттік өріс күрделі құрылымға ие.
Саңылаудан кейін Z<100 Å қашықтықта жақын аймағы деп аталатын аймақ
орналасады. Мұнда электрмагниттік өріс диафрагма беттігіне жақын кеңістікте
локальдірілген эванесценттік (таралмайтын) модалар түрінде болады. Z>100 Å
қашықтықтар аймағында тек сәуле шығаратын модалар байқалатын алыс аймағы
орналасады. Субтолқындық диафрагмадан кейінгі алыс аймақтағы сәулеленудің қуатын
келесі формуламен бағалауға болады:
Ptr 
128 4 6
k a W0 ,
27
(6.5)
мұнда k – толқындық векторы; W0 – түсетін сәулелену қуатының тығыздығы.
Бағалаулар бойынша, =500 нм толқын ұзындығы бар сәулеленулер мен 5 нм
саңылаулы диафрагма үшін алыс аймақтағы сәулеленудің қуаты түскен сәулелеудің 10 –
10
бөлігін құрайды. Сондықтан, алғаш көргенде зерттелінетін үлгілердің растрлік
оптикалық кескіндерді құруға шағын саңылауларды қолдануға болмайды. Бірақ та,
зерттелінетін үлгі жақын аймақта орналастырылса, эванасценттік модалардың үлгімен
өзара әрекеттесу нәтижесінде электрмагниттік өрістің бір бөлігі оптикалық
фотоқабылдағышпен тіркелінетін қарқындылығы бар сәуле шығаратын модаларға
айналады. Сонымен, зерттелінетін үлгі субтолқындық саңылауы бар диафрагмамен
сканерленгенде жақынөрістік кескін қалыптастырылады және диафрагма I x, y 
орналасуына тәуелді оптикалық сәулеленудің қарқындылықтар үлестірімі түрінде
тіркеледі. ЖОМ кескіндеріндегі контраст жарықтың шағылу, сыну, жұтылу және
шашырау процестерімен анықталады. Ал осы процестер үлгінің оптикалық
қасиеттеріне тәуелді.
Сканерлеу зондтық микроскопиясының қызығушылықты тудыратын қолдануына
жататын оның нанообъектілерді жасауға инструмент бола алатыны. Мұндай әдіс
нанолитография деп аталады. Артық кернеу немесе күшті келтіргенде зонд үлгі
беттігіндегі атомды жұлып алып басқа жерге орналастыруы мүмкін. Сонда кез келген
молекулалар мен наноқұрылымдарының атом-атоммен құрастыруын жасауға және
болашақта олардың макроскопиялық көлемде өндіруге болады. 1985 ж. АҚШ-да СТМ
зондының ұшынан үлгіге атомдарды тасымалдауының мүмкіншілігі қарастыруына
патент берілді.
СТМ-ты ойлап ашқан IBM корпорациясының қызметкерлері жұмыс істейтін
зерттеу орталығында алтын пластинада ксенонның 35 атомы көмегімен компания
атауы жазды. Осылай зондтық нанотехнологияның басы басталды.
Қазіргі таңда зондтық микроскоптары көмегімен наноқұрылымдарды
орынауыстыру және бөлек атомдары мен молекулалардан наноқұрылымдарды
құрастыру бірнеше әдісі анықталды. Бірінші әдіс беттікке артық кернеуі келтіріліп
атомдардың қармау мен орын ауыстыруда негізделген. Сол кезде үлгі жоғары вакуумда
болу керек, кері жағдайда беттіктің барлығы қоршаған ортадағы атомдарымен
қабатталады. Осы әдіс негізінде сұйық және газ орталарындағы зондтық
нанолитография әдісі қалыптасқан. Үлгі мен зонд аралығын инертті газбен толтырып,
вакуумға ұқсас нәтижелерді алуға болады. Осы аралыққа арнайы алынған заттарды
енгізіп және кернеуді өзгертіп, зонд тиетін беттіктің нүктесінде химиялық
реакциялардың өтуін жасауға болады. Жұқа металдық ұлпалардың локальді анодтық
тоттанудың әдісі мұндай технологияның үлгісі болып табылады. Осы әдіс нанометрдің
бірнеше ондықты құрайтын сызықтардың қалындығы бар метал тотықтардан құрылған
метал беттіктегі суретті алуға мүмкіндік береді. Оны асатөмен өлшемді электрондық
схемаларды жасауға қолданады.
АКМ-ты да беттікті тек қана зерттеуге емес, оны модификациялауға қолдануға
болады. Оның ең қарапайым әдісі – «беттікті жыру». Зонд ұшы беттікке тигенде
беттікте канаулар алынады немесе ойлы-қырлылықтар тегістеледі. Мұнда қатты
материалдан (мысалы, алмаздан) жасалынған зондтар қолданылады. Үлгі мен зонд
арасында электр тогын жібергенде, беттіктің локальді қыздыруы, контакт аумағында
өтетін химиялық реакцияларды басқаруы, зондтан үлгіге атомдар мен молекулаларды
тасымалдауын жасауға болады. АКМ-тың беттікті модификациялау мүмкіншіліктері
СТМ-тың мүмкіншілектеріне жақындайды, жасалынған құрылымдарды (электр тогын
өткізбейтін) көруге болады.
Зондтық нанотехнологиялардың негізгі мәселерінің бірі – олардың төмен
өнімділігі. Бөлек алынған зонд жұмыстың максимал жылдамдығында өнімдерді үлкен
көлемде шығаралмайды.
Қазіргі таңда көпзондты қондырғыларда наноқұрылымдар бірмезетте жүздік және
мыңдык зондтармен шығарылады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2005.
– 144 с. ISBN 5-94836-034-2
3. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
4. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
Дәріс №7
Дәріс тақырыбы: Нанокластерлер, кванттық нүктелер
Аннотация. Макроскопиялық денелермен салыстырмалы түрде кластерлердің
қасиеттерінің өзгешілігі көрсетілді.
Кілт сөздер: кластерлер, сиқырлы сандар, кванттық нүкте, жасанды атом
Жоспары
1. Нанокластерлер және олардың қасиеттерінің өзгешілігі
2. Кластерлерді алу әдістері
3. Ғажайып сандар
Дәріс тезистері
Жүз мыңға дейін атомдар немесе молекулардан құрылған нанообъектілер
кластерлер деп аталады. Кластерлердің наноөлшемдері үш бағытта болады.
Макроскопиялық үлгілерде қатты денелер мен сұйықтардың физикалық
қасиеттері көлемнен тәуелсіз (құрылысы, балқу және булану температурасы, меншікті
электр кедергісі және басқалары) немесе оған пропорционал болады (мысалы, жылу
сыйымдылығы). Бірақта бұл қасиеттер атомдар мен молекулалардың саны үлкен
жағдайында болады. Бөлек алынған бөлшектердің қасиеттері жай қосылмайды,
олардың коллективтік әрекеттесуі маңызды болады. Атомдар саны аз болғанда,
олардың қасиеттері басқаша «қосылады». Мысалы, массивті қатты денеге қарағанда
кластер әлде қайда төмен температурада ериді және балқу нүктесі қатаю нүктесіне
сәйкестенбейді. Кейбір жағдайларда кластерлер теріс мәнді жылу сыйымдылыққа ие
болады: жылудың белгілі бір мөлшерін бергенде, құрылымының өзгеруі нәтижесінде
олардың температурасы төмендейді. Металдың кластерлері, өлшемдеріне қарағанда,
диэлектриктер, жартылай өткізгіштер, өткізгіштер бола алады.
Кластерлердің физикалық және химиялық қасиеттерінің ерекшеліктері негізінен
беттік атомдар ролінің өсуіне байланысты. Шағын кластерлер үшін барлық атомдар
«беттік» болады. Сол себептен олардың химиялық белсенділігі жоғары болады. Соған
қоса, метал ұңтағы мен метал нанокластерлерінің бір реагентпен химиялық әрекеттесуі
әртүрлі нәтижеге әкелу мүмкін.
Кластерлер қатты денелердегі атомдардың коллективті әрекеттесулеріне
байланысты бір жалпы ерекшелікке ие. Сәйкестенетін физикалық қасиеттер (мысалы,
магниттелуінің сипаты немесе жылу өткізгіштік) атомдардың магниттік моментері мен
атомдардың коллективті тербелістерімен сипатталынады. Сол кезде макроскопиялық
денелердің өлшемдері осы тербелістердің толқын ұзындықтарынан анағұрлым үлкен.
Сондықтан, осы денелердің физикалық қасиеттері олардың өлшемдерінен тәуелсіз.
Кластерлерде өлшемдері кейбір физикалық сипаттамаларын анықтайтын толқын
ұзындықтардан төмен болады және бұл сипаттамалар макроскопиялық денеге
қарағанда өзгеше болады.
Кластерлерді
зерттегенде
макроскопиялық
денелердің
қасиеттерін,
макроскопиялық үлгілердің сипаттамаларына ие болу үшін ансамбльдегі бөлшектердің
саны қандай болуы керек екенін түсінуге болады. Кластердің физикалық қасиеттері
оның атомдар санына тәуелді. Сондықтан, кейбір зерттеушілер бұл санды Менделеев
кестесінің үшінші коррдинатасы деп атайды. Атомдар саны әрі қарай артқанда
кластердің физикалық және химиялық қасиеттерін өзгермесе, сол атомдар саны кластер
өлшемдерінің жоғарғы шегі болып табылады. Кластерді нанокристал деп қарастыруға
болады. Қағидада ол бірнеше мыңдық атомдардан құрылады.
Нанокластерлердің шағын өлшемдері әлсіз әрекет кезінде олардың физикалық
қасиеттерін басқаруға мүмкіндік береді. Мысалы, молекулалық тотық-металдық
кластердің өлшемдері адам шашының қалындығынан 10 мың есе жұқа болады және ол
молекулалық жадының негізі болуы мүмкін: бұл бөлшекке бір электронның қосылуы
оның физикалық қасиеттерін (электр өткізгіштігі, электр сыйымдылығы) өзгертеді.
Нанокластерлердің қолдануына олардың белсенді жылу қозғалысы кедергі
болады: шағын өлшемдері олардың құрылымын қайта құрылуына мүмкіндік береді.
7.1 суретте өткізілген эксперименттің компьютерлік моделінде цезийдің 4 атомы мен
йодтың 4 атомынан құрылған молекуланың орын ауыстыруы көрсетілген. Кластер куб,
сақина, баспалдақ тәрізді және аралық пішіндерге ие болады. Осындай түрленулер
кластерді құрайтын иондардың ретсіз қозғалысының ішкі энергиясының есебіне жүзеге
асырылады.
Кластерді алу әдісіне қарағанда,
олар газдық және қатты денелік
кластерлерге бөлінеді. Біріншілері
әдеттегі жағдайда газ болып табылатын
заттың бөлшектерінен құрылады. Газ
кластерлерін алу үшін газды жоғары
қысымда шұғыл суыту керек.
Қатты денелік кластерлерді алу
үшін қатты дененің беттігін лазер
сәулесімен немесе жоғары кинетикалық
7.1 сурет – Жылу қозғалысы процесінде энергияға ие зарядталған бөлшектер
цезий-йод сегізатомдық молекула
(электрондар, иондар) шоғымен
конфигурациясының өзгерулері
сәулелендіру керек.
Сол кезде материалдың беттігінен макроскопиялық тамшылар, бөлшектер және
әртүрлі өлшемді кластерлер шығарылады. Содан соң, кластерлер олардың масса
бойынша үлестірілуін анықтайтын арнайы құрылғыға – масс-спектрометрге
жіберіледі. Кластерлер ағынында бөлшектердің белгілі саны бар кластерлер жиі
кездеседі. Яғни, олардың тұрақтылығы жоғары. Мұндай сандар сиқырлы деп аталады.
Олардың жиынтығы бөлшектерден кластер қалай құрылғанын түсіндіреді. Сонда атом
мен молекуладан бастап макроскопиялық дене құрылымның қалыптасу жолы мен
қасиеттерін бақылауға болады.
7.2 суретте криптон газ кластерлерінің өлшем бойынша үлестірілуі көрсетілген.
Бұл жағдайдағы сиқырлы сандар 13, 69, 87, 104, 147 және т.б.
Тұрақты кластерлер құрылымының үлгісі ретінде бірдей сфералардың бір-біріне
тиіп тұрғандағы тығыз орналасуын алуға болады. Бірінші сиқырлы санға (13) сондай
радиусты 12 сферамен қоршалған ішкі сфера сәйкестенеді. 1694 ж. И.Ньютон және
оксфорд математигі Д.Грегори осы сан шамасы туралы таласты. Тек қана 180 жылдан
кейін Рейнгольд Хоппе сан 12-ге тең екендігін нақты түрде дәлелдеді.
Егер одан кейінгі бөлшектер қабықшалары толтырылатын болса, бөлшектер саны
55, 147, 309, 567 тең болады. n–ші қабықшадағы Nn бөлшектер санын келесі
формуламен анықталады: Nn=10n2+2. Сонымен, бір атомның бірінші қабықшасында 12
атом орналасады және сиқырлы сан N1 13 тең. Екінші қабықшасында 42 атом бар,
сиқырлы сан N2 55-ке тең. Сол кезде кластер құрылымы ең жоғары тұрақтылыққа ие
болады, ал кластерде икосаэдр құрылымы болады (7.3 сурет).
Кейбір жағдайларда кластерлер додекаэдр құрылымын құрайды (4.3 суреті). Сол
кезде сиқырлы сандар мынадай болады: 7, 29, 66, 118 және т.б.
Көміртек үшін сиқырлы сандардың зерттеуі фуллерендер мен көміртекті
нанотүтікшелердің ашылуына әкелді. Қатты денелік кластерлердің сиқырлы
сандарының зерттеулері заттың магниттік қасиеттерінің табиғатын түсінуге мүмкіндік
береді. Соңғы жылдары көпатомдық молекулалардан құрылған күрделі құрамы бар
нанокластерлер алынды.
Кластерлер микроэлектроникада кеңінен қолданылады. Кванттық нүктелер
кластерлердің түрі болып табылады (7.4–7.5 суреттер). Олардың негізінде жартылай
өткізгіштік аспаптардың, лазерлердің, диодтардың, күн батарея ұяшықтарының жаңа
буынды технологиялары жетілдіреді.
7.2 сурет – Өлшемдері (атомдар n саны) бойынша
криптон газдық кластерлерінің үлестірілімі
7.4 сурет – Атомды-күштік
микроскопында алынған кванттық
нүктесінің кескіні
7.3 сурет – 13 және 55 атомнан
құрылған нанокластерлердің
құрылымы: а) додекаэдр; б)
икосаэдр
7.5 сурет – Өту электрондық микроскопында
алынған GaAs матрицасында InAs кванттық
нүктелерінің кескіні (жоғары жағынан)
Кванттық нүктелер жартылай өткізгіштің құрамы мен құрылысы бойынша ұқсас
басқа жартылай өткізгіш беттігінде «шағын аралдары» болып табылады және
электрондар үшін үшөлшемді кванттық шұңқырларының міндетін атқарады. Мысалы,
GaAs беттігінде InAs кванттық нүктелері өсіріледі. Жартылай өткізгіштік кванттық
нүктелерінде нанометрдің бірнеше ондықтарының өлшемі бар.
Кванттық нүктедегі электронның энергетикалық спектрінде дискреттілік
болғандықтан, кванттық нүктелер «жасанды атомдар» деп аталады. 7.6 суретте
түсініктеме келтірілген.
Кванттық нүктелер негізінде жоғары пайдалы әсер коэффициенті бар жарықтың
миниатюралық көздері жасалынды. Кванттық нүктелер лазер қоздырған ультракүлгін
сәулеленуді жұтады және оны көрінетін диапазонда жоғары пайдалы әсер
коэффициентімен (55%) қайта шығарады. Келесі шешуге қойылатын мәселе – лазерлік
коректеу көзінің орнына әдеттегі ток көзін салу.
Кванттық нүктелердің өлшемдері мен құрамын түрлендіріп, сәулеленудің әртүсті
жарық диодтарын алуға болады. Микрометрлік өлшемдері бар жартылай өткізгіштік
қондырғыларда жүз мыңдық электрондарынан құрылатын ағынға сәйкестенетін ток
реттелінеді (қосылады немесе сөндіріледі). Кванттық нүктелер көмегімен бөлек
электрондардың қозғалысын басқаруға болады. Сонда жартылай өткізгіштердің
өлшемдерін азайтуға (миниатюрлеуге) және энергияның тұтынуын төмендетуге
мүмкіндік болады. Криптографияның дамуына мүмкіншіліктер ашылды. Баяу
балқитын (вольфрам, молибден) металдардың кластерлер негізінде атомдық
газразрядтық көздерінің қарқындылығынан анағұрлым үлкен қарқындылығы бар
газразрядтық жарық көздері жасалуда.
Ақпараттық технологияларының дамуына үлес қосқан үшін академик
Ж.И.Алферовқа (Г.Кремер және Д.С.Килбимен бірге) 2000 ж. Нобель сыйлығы
тапсырылған. Алферовтың лабораториясында гетероқұрылымдар технологиясы,
сонымен бірге кванттық нүктелер технологиясы жетілдірілген. Кванттық нүктелерді
жасау мәселесін шешу кезінде Алферов лабораториясының қызметкерлері өздік
ұйымдасу процестерін қолдануының қажеттілігі туралы қорытындыға келді. Ақаусыз
кванттық нүктелер өсіру процестерінде осы процесінің «дұшпаны» – әртүрлі
атомаралық қашықтықтары бар қос жартылай өткізгішті бір-біріне үйлестіру кезінде
пайда болатын ақаулар қолданылды. Н.Н.Леденцов РАН Физика-техникалық
институтында жасаған баяндамасында былай деген: «Табиғатпен күресу емес, оны
зерттеу, оған бағыну керек екендігі айқын болды. Табиғат наноқұрылымдарды
жасағысы келеді, бірақта нанообъектілердің өлшемдері, тығыздығы мен өзара
орналасуын өзі анықтайды». Осылай жартылай өткізгіштік кристалдардың өсу
теориясы – өздігінен ұйымдасатын наноқұрылымдарына ауысуы мазмұндалды.
Бұрын жартылай өткізгішке басқа материалдан жасалынған қабатты енгізіп,
материалдар арасындағы шекара бір мезетте айқын және ақаусыз болатыны мүмкін
емес деген ой болды. Алферов қызметкерлерімен бірге гетероқұрылымдардың жасауын
жүзеге асырды.
Мысалы, кванттық нүктелер алу кезінде GaAs беттігінде InAs қабаттары өсіріледі.
Осы қабаттарының кристалдық торында атомдар арасындағы қашықтық GaAs
қарағанда өзгешелінеді. Сондықтан, тұндырылған InAs бірінші қабатында серпімді
кернеулер пайда болады, ал белгілі қалындығына жеткенде InAs кристалы тұрақсыз
болады және көптеген өлшемдері шамамен бірдей аралдарға ыдырайды. Осылай
кванттық нүктелерінің жиынтығы пайда болады. Сонымен, өздігінен ұйымдасу
процестері нанотехнологияда маңызды рөлін атқарады.
Өлшемдес нанокластерлерді алып, қатты ортаны (матрицаны) толтыру немесе
макроскопиялық беттікті қабаттауы маңызды технологиялық мәселе болып табылады.
Бұл басқа магниттік қасиеттері бар ортаға енгізілген магнитті нанобөлшектерге,
полимер төсеніштегі сәуле шығаратын күміс нанобөлшектеріне және жартылайөткізгіш
кванттық нүктелеріне тиісті. Барлық жағдайларда жаппай көпшілікті өндірісті құрылым
құрылуының атомдық дәлділігімен сыйыстыру керек. Нанотехнологияның міндеті –
қажетті өнімі өздік ұйымдасуымен жасалынатын процесті жетілдіру.
Кластерге басқа элементтерінің атомдарын енгізіп, оның физикалық және
химиялық қасиеттерін өзгертуге болады. 7.7 суретте вольфрам атомын қоршаған
кремнийдің 12 атомдарынан құрылған кластер көрсетілген.
Мұндай
кластерлердің
эффектив
катализаторларды
және
кванттық
компьютерлерді жасауға қолдануларының перспективалары мол. Кластерлердің бірбірімен немесе олар орналасатын ортамен әрекеттесу қасиеттерін өзгертуге болады.
Нанокомпозиттерде нанокластерлер полимер материалы негізінде жасалынатын
ортаның
(матрицаның)
толтырғышы
ретінде
қолданылады.
Толтырғыш
нанобөлшектерінің бір-бірімен және матрицамен әрекеттесуі композиттың
механикалық, электрлік, жылулық және басқа да қасиеттерін анықтайды.
Катализде наноқұрылымдар баяғыдан бері қолданылады. Жағдайлардың көбісінде
метал кластерлері тасушы-төсенішке (тотықтық және көміртегілік материалдары)
орналастырады. Осындай катализаторлар көмірсутекті шикі заттың ірітоннаждық
өндірісте, органикалық синтезде және т.б. пайдалынады. Бұл жағдайда кластерлердің
негізгі қасиеттері байқалады:
– олардың қаситтері, соның ішінде катализдік белсенділігі, жеке атомдардың және
микроскопиялық бөлшектердің қасиеттерінен өзгеше болады. Кластердегі атомдар
саны өскенде катализдік белсенділік артады немесе азаяды;
– кластерлердің өзара және төсенішпен әрекеттесуі үлкен рөлін атқарады. Катализ
және мұндай жүйенің электр қасиеттері үшін кластерлер мен төсеніш арасындағы
электр зарядының қайта үлестіруі маңызды екені көрсетілген. Электрондар мен
«кемтіктер» туннельдік эффект нәтижесінде орын ауыстыруы мүмкін, егер де
кластерлер арасындағы қашықтық немесе металдық кластер мен өткізетін төсеніш
арасындағы қашықтық 1-2 нанометрді құрайтыны болса;
– өзара әрекеттесу есебінде металдың кейбір кластерлері өздігінен ұйымдасу
мүмкін.
Кванттық нүкте – жасанды атом
жарық
жарық
Кванттық нүкте
 Аса ірі күшею
 Температуралық
тәуелділік
7.6 сурет – Жеке атом (сол жақта) және кванттық нүкте
– «жасанды атом» (оң жақта) сәуле шығаруының
механизмі. Кванттық нүктелер қолдануының
артықшылықтары
7.7 сурет – 12 кремний және
1 вольфрам атомдарынан
құрылған кластер
Нанокластерлерді қолдануларының маңызды аймақтарының бірі – медицина, ең
алдымен – рак ісіктерін диагностикасы. Жартылай өткізгіштер нанокристалдарының
ерекше қасиеті – белгілі жиілігі бар сәулелендіруі нәтижесінде қарқынды
люминисценциясы. Ісіктер қосымша қан тамырларын өсіретін, ал осы тамырлардың
жүйесі өте кеуекті және тармақталған болғандықтан, нанокристалдар негізінде оларда
жинақталады және зақымға ұшыраған учаскілердің люминисценциясы анық көрінеді.
Қатерлі ісіктердің көзкөрімделудің мұндай процесі пассивті деп аталады. Басқа әдіс –
белсенді әдісінде антиденелер, пептидтер, белоктар немесе ДНК типті биологиялық
молекуларымен химиялы байланысты нанокластерлері қолданылады. Бұл жағдайда
нанокластерлер ісікте жинақталып, оның орналасуын анықтайды.
Әдетте Менделеев кестесіндегі 2-ші және 6-шы топтардың немесе 3-ші және 5-ші
топтардың қосылыстары (AIIBVI және AIIIBV жалпы формулаларымен анықталатын)
қолданылады. Кластерлер өлшемдерін олар өсуі кезінде, мысалы температура өзгеру
немесе өсу уақыты есебінде, меңгеруге болады.
Магнит өрісінің қосылуы актив нанокластердердің қатты қызуына және олармен
байланысқан рак клеткаларының сау клеткаларына зиянсыз опат болуына әкеледі.
Парфюмерияда және медицинада күміс және алтын нанобөлшектерінің қолданылуы
қызығушылық тудырады. Оның себебі – массивті үлгілерде осы асыл металдардың
химиялық инерттігінің болуы және тірі организмдегі зат алмасуында олардың
қатысуының ерекшеліктері. Өсімдіктерде (жоңышқа, бидай, сұлы), кейбір
микроскопиялық уақ саңырауқұлақтар және бактериялар, сыртқы ортадан алтын немесе
күміс тұздарын сорып алып, нанокластерлер түрінде жинақтайды. Алғаш көргенде ақ,
бұл нанобөлшектердің бірігуіне, жабысуына ұмтылуға үйлеспейтін сияқты. Бірақта, тірі
организмде олар жеке жағдайларда болады. Әртүрлі биоматериалдарда организмнің
реакциясы бөлшектер өлшемдеріне немесе массивті беттіктің бұдырмақтылығына
тәуелді екендігі көрсетілді. Макроскопиялық үлгі организмге бейтарап болып көрінеді,
ал микро- және нанобөлшектер рак ісіктерінің пайда болуына әкеледі.
Ғасырлар бойы алтын мен күміс ауруларды емдеуге және сақтандыруға
қолданылды. Үндістанда 3 мың жыл бұрын алтынқұрамды май және өсімдік
экстрактардан жасалынған эссенциялары пайдаланды. Ежелгі Грекияда алтын ұнтақ
пен сарымсақ қоспасымен тұмауратуды емдеді. Күміс ыдысы мен құралдары ішек
ауыруларынан дәстүрлі қорғау ретінде қарастырылды. XX ғасырда коллоидты алтын
ісіп қызару процесілері көбісінің емдеуге қолданылады.
Цинк
тотығының
нанокластерлері
жиіліктердің
кең
аймағында
(радиожиіліктерден ультракүлгінге дейін) электрмагниттік сәулеленуді жұту бірегей
қасиетіне ие. Оларды күн көзінен қорғайтын кремдер, көзілдіріктерде және «елеусіз»
қабаттарды жасауға қолдануға болады.
Нанотомарлармен қапталған лотос жапырағы өздігінен тазартылатын әйнекті
жасауға үлгі болуы мүмкін: су тамшылары осындай «нанобөрткендерден» үлкен
болады және әйнекте жайылмай, оған жұқпай олардың бетінде жата береді. Әйнек
мөлдір болып көрінеді. Мұндай қаптаманы микроқондырғыларда үйкелісті азайту үшін
қолданылуы мүмкін.
Кейбір нанокластерлердің пішіні гүлдерге, ағаштарға, бүршіктерге ұқсайды
(7.8 сурет). Бұл өлі және тірі табиғаттағы өздік ұйымдасу процестерінің бірлігін
дәлелдейді.
а
б
в
7.8 сурет – Нанокластерлер пішіні үлгілері: а) сұйық галлийдің тамшылары және метан
газының ағыны қатысуымен кремний беттігінде өсірілген наноқұрылым; б) нақты
өсімдік; в) «наногүлдер»
Нанокластерлер мен материалдар негізінде әртүрлі физикалық, химиялық және
физикалы-химиялық әдістер қолданылады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №8
Дәріс тақырыбы: Көміртекті наноқұрылымдар
Аннотация. Көміртектің аллотропиялық конфигурациялары анықталды.
Кілт сөздер: аллотропия, алмаз, графит, фуллерен, карбин, графен, көміртекті
нанотүтікшелер,
Жоспары
1. Көміртек негізіндегі құрылымдар
2. Графен
3. Фуллерен
4. Көміртекті наноқұрылымдарды алу
Дәріс тезистері
Көміртек Д.И.Менделеев элементтер периодты жүйесінің IV топтағы
бейметалдық химиялық элементі болып табылады, сондықтан көміртекте 4 валенттік
электроны бар. Көміртек тірі табиғаттың негізін құрайды, оның жер төңірегіндегі
құрамы тек 0,19 %. Д.И.Менделеев айтқандай: «Жағдайды қиындататын көміртек
сияқты басқа элемент жоқ».
Бір химиялық элементі атомдарының әртүрлі кеңістіктік конфигурацияларын
құрып бір-бірімен қосылу қабілетілігі аллотропия деп аталады.
Көміртектің 4 аллотропиялық конфигурациясы бар: алмаз (8.1а сурет), графит
(8.1б сурет), карбин және фуллерен. Соңғы жылдары көміртектің жаңа
модификациялары анықталынды: фуллерендер, көміртекті нанотүтекшілер, графен.
Олардың бірегей қасиеттері нанотехнологиялар аймағында кең қолдануына әкелу
мүмкін.
Алмазда көміртек атомдарының
валенттік электрондарының төртеуіде
жоғарыберікті
C–C
ковалентті
байланысты
құрайды.
Оларды
үзу
қиындыққа түседі. Сондықтан, алмаз өте
жоғары қаттылыққа және балқудың
жоғары температурасына (3550C) ие.
Алмаздан
өзінің
қасиеттерімен
8.1 сурет – Алмаз (а) және графиттың (б) ерекшеленетін графит көміртектің екінші
аллотропиялық формасы болып табылады.
кристалдық құрылымы
Графит – графен деп аталатын қабат-қабатқа оңай бөлінетін жұмсақ қара зат.
Графен жазықтығының көлемінде көміртек атомдары күшті коваленттік байланыста
орналасады. Осы байланыстар дұрыс алтыбұрыш (8.2 сурет) негізінде екіөлшемді
гексагоналдық торды құрайды. Бірақта, алмаздан айырмасы мұнда байланыс
құрылуына тек 3 электрон қатысады. Атомдар электрондардың төртіншілері бос
тұрады. Сол себептен графен жазықтықтары жақсы электр өткізгіштігіне ие (электр
кедергісі 0,0014 Омсм). Графен жазықтықтар арасында Ван-дер-Ваальс күштерімен
анықталатын әлсіз тартылуы бар. Осы күштердің табиғаты атомның электрондық
қабықшасының өздік электрондарымен экрандалған кулондық өрісі бар көршілес
атомның оң зарядталған ядромен әрекеттесуімен түсіндіріледі. Жазықтықтар
арасындағы әлсіз әрекеттесу олардың жеңіл жылжуына және графиттен қабат-қабатқа
бөлінуіне әкеледі.
Графит ескі заманнан бері белгілі болса да, жекеленген графен жазықтықтарын
алу мен зерттеулері тек қана 2004 ж. жасалынды. Профессор А.Гейм доктор
К.С.Новоселовтың тобымен (Черноголовка, Ресей) бірге көміртектің 1 атомы
қалындығы бар материалды жасады. Бұл графен деп аталатын материал 1 атомды
қалындығы бар екіөлшемді жазық молекуласы болып табылады.
Графендегі электрондардың қозғалғыштығы қазіргі микроэлектрониканың жиі
қолданылатын материалы болып табылатын кристалдық кремнийдегі электрондар мен
кемтіктердің қозғалғыштығынан жүздік есе артық болады.
Графен транзисторлар мен басқа бірнеше нанометр өлшемді жартылай өткізгіштік
аспаптарды жасауға мүмкіндік береді. Өлшемдері төмендегенде, кванттық
эффектілердің рөлі күшейеді. Электрондар де Бройль толқындары сияқты канал
бойымен қозғалады. Сонда соқтығысулардың саны (шашырау актілері) азаяды да,
транзистордың тиімділігі өседі. Оның себебі, электрондар шашырағанда энергияның
шығындары азаяды.
XX ғасырдың 60 жылдары ашылған карбин көміртектің үшінші аллотропиялық
формасы болып табылады. Карбин көміртек атомдары қос (=C=C=) немесе кезектескен
дара және үш қатқыл байланыстарымен қосылған сызықты құрылымы болып
табылады. Сонымен, карбиннің құрылымы бірөлшемді болады. Бұл жіптер беріктігі
жоғары және өткізгіштік қасиеттеріне ие көміртекті талшықтарды қалыптастыру
мүмкін. Карбиндік жіптер сақинаға тұйықталу мүмкін.
1985 ж. көміртектің бұрын белгісіз формасы – фуллерендер – ашылды (8.3 сурет).
Фуллерен көміртектің жаңа аллотропиялық формасы болып табылады.
Фуллеренде әрбір көміртек атомы басқа атомдарға үш берік химиялық байланысымен
қосылған. Бұл графен жазықтықта да кездеседі. Бірақта, графенге қарағанда, фуллерен
дұрыс алты- және бесбұрыштардан құрылған дөнес тұйық беттікті қалыптастырады. Ол
футбол добына ұқсайды. Фуллерендердің формалары әртүрлі болуы мүмкін. Сол кезде
квантты химиялық есептеулер бойынша олардың құруы белгілі бір ережелерге
бағынады. Көміртектің тұрақты кластерлері әрбір көміртек атомы 3 тең
координациялық саны бар полиэдр пішінге ие. Бес- және алтымүшелі циклдерге ие
карбополиэдрлердің орнықтылығы жоғары болады. 60 атомнан құрылған және C60
болып белгіленетін фуллеренннің молекуласы кеңінен зертелінді. C60 құрылымында 20
алтыбұрыш және 12 бесбұрыш бар. Алтыбұрыштардың әрқайсысы 3 бесбұрышпен
және 3 алтыбұрышпен жалғасады. Бесбұрыштар тек қана алтыбұрыштармен көршілес
болады. Мұндай құрылым C60 молекуласына жоғары орнықтылықты қамтамасыз етеді.
Тұйық көлемдік геометриялық фигураларды құрастырғанда, бесбұрыштар болу керек,
себебі олар графит қабаттарының бұрмалануына әкеледі. C–C байланыстарының
ұзындықтары орналасу шекараларына тәуелді: C–C байланысының ұзындығы
алтыбұрыш-алтыбұрыш шекарасында 0,139 нм-ге тең, ал алтыбұрыш-бесбұрыш
шекарасында 0,144 нм-ге тең.
Жоғарыда айтылғандай, фуллерен құрылымы құрылғанда 3 электрон қатысады.
Төртінші электрон еркін химиялық байланыста болады. Сондықтан, мұндай
молекулалар маңызды химиялық қасиеттерге ие болады. Олар полимер құрылымдарды
қалыптастырады және өзіне сутегі, фтор және басқа атомдарды қосып, гидрленген,
фторланған фуллерендерді алуға мүмкіндік береді.
Асқынөткізгіштік фулерендер негізіндегі қатты материалдарда байқалатын
құбылыстардың бірі болып табылады. 1991 ж. қатты C60 сілтілі металдың аз
мөлшерімен легірлегенде төменгі температурада асқынөткізгіштік күйіне ауысатын
металдық өткізгіштігі бар материал қалыптасады.
Қатты фуллериттер жартылай өткізгіштер болып табылады. Олар фотоөткізгіштік
органикалық материалдардың ішінде ең жақсыларына жатады. Олардан түскен
жарықтың жиілігін екі есе және үш есе күшейтетін оптикалық түрлендіргіштерді
жасауға болады.
Фуллеренді ашқаннан кейін ғалымдар графендік жазықтықтар белгілі
жағдайларда бүрісіп қалатыны анықтады. Мұндай құрылымдар көміртекті
нанотүтікшелер (КНТ) деп аталады. КНТ – бұл ондық нанометрге дейін диаметрі және
шамамен ондық микрометр ұзындығы бар іші бос сопақ цилиндрлік құрылымдар
(8.4 сурет). Идеалды нанотүтікше цилиндрге бүрісіп қалатын графен жазықтығы болып
табылады. Мұнда төбелерінде көміртек атомдары орналасқан дұрыс алтыбұрыштар
беттікті құрайды.
Көміртекті нанотүтікшелер бір қабырғалы немесе көп қабырғалы (бірқабатты
немесе көпқабатты), түзу немесе спиральдік, ұзын немесе қысқа және т.б. болуы
мүмкін. Нанотүтікшелердің созылуға және майыстыруға беріктігі жоғары болады.
Үлкен механикалық кернеулердің әсерінен олар үзілмейді де, сынбайды да, олар өзінің
құрылымын өзгертеді. Көміртекті нанотүтікшелер маңызды қасиеттерге ие. Олар өте
жоғары тығыздықты ток өткізеді, басқа атомдар мен молекулалар қосылғанда
(адсорбцияланғанда) қасиеттерін өзгертеді, төменгі температурада шеттерінен
электрондарды шығарады (салқын электрондық эмиссия) және т.б. Сондықтан, қазіргі
таңда бүкіл әлемде түтікшелер қасиеттерінің қарқынды зерттеулері өткізілуде.
8.2 сурет –
Графеннің моделі
8.3 сурет –
Фуллереннің
моделі
8.4 сурет – КНТ модельдері: а) бір
қабырғалық, б) көп қабырғалық
Көміртекті нанотүтікшелер екі түрлі – ашық (5.4 сурет) және жабық – болады.
Екінші жағдайда олардың шетінде (қақпақ ретінде) фуллереннің жартысы орналасады.
Фуллерендер мен нанотүтікшелер күмбез тәрізді тектес құрылымдар болып табылады.
Көміртекті
нанотүтікшелерді
алу
әдістері
екі
топқа
бөлінеді:
жоғарытемпературалық және орташатемпературалық әдістер. Жоғарытемпературалық
әдіс графиттың (лазермен немесе доғалық разрядпен) булануында негізделген.
Орташатемпературалық әдістерге химиялық тасымалдау реакцияларының әдістері
жатады.
Жоғарытемпературалық әдістерде графит құрғақтау температурадан (3200C)
жоғары температураларда буландырылады. Бұл әдістер екі негізгі топқа бөлінеді:
графит электродтар арасындағы доғалық разряд және импульсті лазермен буландыру
(8.5 сурет).
а
б
8.5 сурет – Көміртекті нанотүтікшенің жоғары температуралық өсіру әдістері:
(а) – доғалық разрядтағы әдіс; (б) – лазермен буландыру
8.5а суретте нанотүтікшенің доғалық разрядта өсіру схемасы келтірілген. Доғалық
разрядта графит электродтарының біреуінде (анодта) катализатордың бөлшектері (Fe,
Ni, Co немесе сирек кездесетін элементтер) бар. Доғалық разрядтың реакторы 30 см
диаметрлі және 1 м ұзындығы бар цилиндр болып табылады. Реактордан ауа сорып
алынады. Оның көлемі қысымы 600 мбар құрайтын инертті газбен толтырылады.
Разряд 60 А токта жағылады.
Инертті газдың ағынында лазер шоғымен катализаторы бар графит электродын
буландырып нанотүтікшені алуға болады (8.5б сурет). Сол кезде түтікшелер мыстан
жасалынған сумен суытылатын электродқа тұндырылады. Химиялық тасымалдау
реакцияларының әдісі көмірсутекті (мысалы, ацетиленннің) пиролизінде катализатор
болғанда нанотүтікшенің тұндыруында негізделген. Бұл жағдайда түтікшелердің өсіру
температурасы 700-900C құрайды.
Өсіру температурасы мен катализатордың заты түтікшелердің қасиеттеріне әсер
етеді. 8.6 суретте әртүрлі температурада өсірілген көміртекті түтікшелердің
электронды-микроскопиялық кескіндері келтірілген.
Өсу процесінде нанотүтікшелер ашық болып қалатыны және ашық шетіне
көміртек атомдары қосылатыны (8.7 сурет) туралы ой қалыптасқан. Ақ шариктер –
құрылымның көміртек атомдары; қара шариктер – C2 димерлері және C3 тримерлері.
Ашық шетінен түтікше өседі, C2 және C3 жұтылады.
C2 димерлердің (көміртектің екі атомы) тізбекті қосылуы нанотүтікшенің үзіліссіз
өсуіне әкеледі. Кейбір кезде алтыбұрышты қосу және бесбұрышты болдырмау үшін C3
тримерлері (көміртектің үш атомы) пайдалынады. Бесбұрыштың пайда болуы
құрылымның бұрмалануына әкеледі және түтікшенің жабылуы мүмкін. Жетібұрыш
пайда болғанда түтікшенің өлшемі мен кеңістікте бағдарлануы өзгереді. Сонымен,
бесбұрыш-жетібұрыш жұптардың енуі әртүрлі құрылымды түтікшелерді алуға
мүмкіндік береді. Соңғы ғылыми зерттеулерінде түтікше катализатордың (темір
топтағы металл) тамшысынан өсетіні көрсетілген. Фуллерендер ұқсас әдіспен өсіріледі.
Карбиндерді графендік жазықтықтарды қабаттасу әдісімен алады. Ол үшін таза
графит немесе кремний карбиді пайдалынады. Бұл химиялық қосылыс алмасатын
көміртек пен кремний қабаттарынан тұрады. Кремний қабаты ерітіледі, ал көміртектің
моноатомды қабаты алынады. Оның майысып сынатыны үлкен мәселеге айналды. Бұл
қабаттың қирауын болдырмау үшін оны кремний тотығының беттігіне орналастырады.
Бірақ та, мұнда төсінештің қасиеттері, әсіресе оның ақаулары, алынған жүйенің
қасиеттеріне әсер етеді.
а
8.6 сурет – Әртүрлі өлшемді көміртекті
нанотүтікшелерді алу: а) 750C; б) 900C
б
8.7 сурет – Көміртекті
нанотүтікшенің өсу механизмы
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. –
М.: Техносфера, 2006.
Дәріс №9
Дәріс тақырыбы: Көміртекті наноқұрылымдардың қасиеттері
Аннотация. Көміртекті нанотүтікшелердің механикалық, химиялық және
электрлік қасиеттері қарастырылды. Көміртекті нанотүтікшелердің қолдану
аспаптарының мысалдары келтірілді.
Кілт сөздер: көміртекті нанотүтікшелер, адсорбция, хемосорбция, қозғалғыштық,
Джоуль-Ленц эффектісі, баллистикалық қозғалыс
Жоспары
1. Көміртекті наноқұрылымдардың механикалық қасиеттері
2. Көміртекті наноқұрылымдардың химиялық қасиеттері
3. Көміртекті наноқұрылымдардың электрлік қасиеттері
Дәріс тезистері
Көміртек атомдары арасындағы коваленттік байланыс өте берік болады.
Сондықтан, көміртекті құрылымдар негізіндегі кванттық жіптердің (карбиндік
құрылымдар мен көміртекті нанотүтікшелердің) беріктігі өте жоғары. Мысалы, Жер
мен оның серіктігі арасындағы көміртекті құрылымдардан жасалынған троспен лифт өз
салмағынан үзілмейді.
Бір-біріне салынған көміртектің моноатомды қабаттарынан құрылған цилиндрлер
болып табылатын көпқабырғалы көміртекті нанотүтікшелер (9.1 сурет) маңызды
механикалық қасиеттерге ие. Ішкі цилиндрлер сырттағыларға қарағанда үйкеліссіз
қозғалуы мүмкін. Телескопиялық эффект толығымен қайтымды болады. Ішкі түтікшені
қайта-қйта салып шығаруға болады. Көміртекті нанотүтікшелер үшін әсер ететін
телескопиялық күштердің құраушылары бар: Ван-дер-Ваальс күштері, үйкелістің
статикалық және динамикалық күштері. Эксперименттік бағалау бойынша 1 атомға
келетін үйкеліс күштері 10–14 Н құрайды. 9.1 суреттегі көрсетілген объектпен
жасалынған эксперименттерде үйкеліс күштері уақыт бойы өзгермейтіні анықталды.
Айтылғын эксперимент нанометрлік диаметрі бар мойынтіректерді жасауға
мүмкіндігін дәлелдеді. Оған қоса, механикалық және электрлік қасиеттері өте тығыз
байланысты екендігі айқындалды. Сыртқысына қарағанда ішкі цилиндр қозғалғанда
9.1 суреттегі жүйенің толық кедергісі экспонетті заңдылықпен өзгереді:
 x 
R  R0 exp  ,
(9.1)
 L0 
мұнда L0 – түтікше қасиеттерімен анықталатын сипаттамалық ұзындығы; R0 –
цилиндрлер бір-біріне тұтас кіргізілгендегі кедергі; x – шығып тұрған түтікшенің
кезекті координатасы.
Кедергінің өзгеруі өте жоғары сезгіштігі бар орынауыстыру мен үдетудің
бергіштерін жасауға мүмкіндік береді. Иілу кезіндегі түтікше қасиеттерінің өзгеретіні
деформация бергіштерін жасау мүмкіндігі айқындалды.
Бір заттың атомы немесе молекуланың екінші заттың беттігімен әрекеттесу мен
және атомның беттікте орнықтыру құбылысы адсорбция деп аталады.
Сорылған зат беттікпен химиялық күштерімен байланыстырылатын жағдайда
адсорбция хемосорбция деп аталады.
Басқа күштер жағдайында адсорбция физикалық деп аталады. Көміртекті
нанотүтікшедегі адсорбцияның ерекшелігі – түтікшенің электрондық күйлері мен
қасиеттерінің өзгеруі. Мысалы, оттектің адсорбциясы нәтижесінде түтікшенің
өткізгіштігі электрондықтан кемтіктікке ауысады. Сондықтан, адсорбция құбылысын
әртүрлі заттардың концентрация бергіштерін – хемосенсорларды – жасауында
қолдануға болады.
Сутегі болашақтағы энергия көздерінің бірі болып табылады. Сутегі энергетика
саласында зерттеулер қарқынды жүргізілуде. Сутегіні сақтау өзекті мәселеге айналды.
Сутегі оттекпен әсерлесіп суға айналу реакциясы тез өтеді және жарылысқа келтіру
мүмкін. Сондықтан, оттекпен әсерлесуді болдырмайтын және сутегінің шағын
мөлшерде шығатын сутегіні сақтау жағдайын қамтамасыз ету керек. Мұндай мақсатта
сақтау қоймасын сутегіні жұтатын кеуекті заттармен толтыруға болады. Әртүрлі
аллотропиялық формалары бар көміртектің беттігінде сутегіні адсорбциялауға болады.
Жаңадан ашылған көміртекті материалдарды – фуллерендер мен көміртекті
нанотүтікшелерді – сутегі сақтау саласында қолдануы зор. Мысалы, нанотүтікшелер
бөлме температурасына жақын аймақта сутегіні жұтып ұстап қалады. Жұтылған сутегі
орналасуының әртүрлі варианттары 9.2 суретте келтірілген. Сутегі мен графеннің
жазықтығы үлкен химиялық байланыста болатыны айқындалды. Бұл сутегінің үлкен
мөлшерде жұтылуына себепті болады. Сутегінің бір бөлігі түтікшенің ақауларында
жинақталады.
9.1 сурет – Өту электрондық
микроскоптағы түсірілген
көпқабырғалы көміртекті
нанотүтікшенің кескіні
9.2 сурет – Физикалық адсорбция кезінде сутегі
молекуласының орналасу варианттары: X –
байланыстың үстінде, Y – ұяшық ішінде графеннің
жазықтығына параллель, Z – түтікшеге перпендикуляр
Макроскопиялық қатты денелердің g өткізгіштігі меншікті кедергіге кері
пропорционал болатын шама. Өткізгіштік еркін тасымалдаушылардың n
концентрациясы, заряд тасымалдаушыларының  қозғалғыштығы және электронның e
заряды көбейтіндісі түрінде алынады:
g  e n .
(9.2)
Қозғалғыштық – бұл электр өрісінің кернеулігі 1 В/м болғанда заряд
тасымалдаушының дрейф жылдамдығы.
Қозғалғыштық заряд тасымалдаушыларының әртүрлі ақауларымен (қоспалар,
тордың тербелістері, айырудң шекаралары мен беттіктері) өзара әрекеттесуіне тәуелді.
Электрон ақаумен түйіспегесні ақаулармен әрекеттесу соқтығысуларға жатпайды.
Әрекеттесу кезінде электронның жылдамдығы өзінің бағыты мен шамасын өзгертеді.
Сондықтан, ақаумен әсерлескенде электронның шашырайтыны туралы ұғым
қалыптасқан. Сол мезгілде электрон жылу түрінде шығарылатын энергияны жоғалтады.
Ток өткенде өткізгіштің қызуына әкелетін құбылыс Джоуль-Ленц эффектісі деп
аталады.
Көлемді денелерге қарағанда көміртекті нанотүтікшелердің өткізгіштігі басқа
кванттық жіптерде сияқты, кванттық сипатқа ие. Нанотүтікшенің ұзындығы бірнеше
микрон құрайды. Бұл электронның еркін жүру жолының ұзындығынан аз. Түтікше мен
қоршайтын орта арасындағы шекараны кесіп өткенде электрон мылтықтан атылған оқ
сияқты еркін қозғалады. Мұндай қозғалыс баллистикалық деп аталады. Түтікшенің
ішінде қозғалу кезінде электрон оның беттігімен әрекеттеспейді. Шашырау тек
түйіспелер аймағында болады.
Токтың баллистикалық өтуінің механизмін түсіну үшін келесі модельді
қарастырайы. Металдың нанотүтікшемен екі түйіспесі бар дейік (9.3а сурет). Сол
жақтағы түйіспеден электрон түтікшеге кіреді, ал оң жақтан – шығады.
Электронның кіретін және шығатын металдық түйіспелерін потенциалдық
шұңқырлар түрінде алайық. Мұндай шұңқырдың әрбір энергиялық деңгейінде, Паули
принципіне сәйкес, қарама-қарсы бағытталған спиндері бар қос электроннан
орналасады. Металда энергиялық деңгейлер Ферми деңгейі (химиялық потенциал) деп
аталатын белгіленген энергияға дейін толтырылады. Тепе-теңдік күйде осы деңгейлер
бір энергияда орналасады, түйіспелер арасындағы электрлік кернеу нольге тең. Ток
жоқ. Түйіспелерге келтірілген кернеу (Vsd) екінші түйіспенің Ферми деңгейін
төмендетеді (9.3б сурет).
Энергиялардың E  eVsd   L   R аралығында бірінші түйіспенің деңгейлерін
электрондар баспы алған, ал екіншісінде – бос тұр. Көміртекті нанотүтікшенің ішінде
қозғалыс тек рұқсат етілген энергиялар мәндерінің аралығында болуы мүмкін.
Түтікшеге түскенде электрон белгіленген E интервалында бұл мәндердің (E) біреуіне
ие болады. E энергиялы электрон түтікшеден еркін өтіп энергияны өзгертпей 2
түйіспенің бос болып тұрған күйлеріне түседі. Егер де осы күйлер толған болса ток өте
алмайтын еді.
Сондықтан, өткізгіштіктің шамасы түтікшенің бос деңгейлерінің санына
пропорционал. Өткізгіштік нанотүтікшенің бірінші және екінші түйіспелердің Ферми
деңгейлер арасындағы орналасқан E   L   R энергиялар аралығындағы деңгейлер N
санына пропорционал болады. Дәлірек есептегенде баллистикалық тасымалдауда
өткізгіштіктің түрі мынадый:
e2
(9.3)
g
N
2
Ығысу келтіргенде бос деңгейлердің саны бірге өскенде өткізгіштік секірмелі
артады. Келтірілген кернеу өскенде өткізуге арналған каналдардың саны артады, бірақ
та ол квантталған болып қалады. Тәжірибе жүзінде бұл тек қана өте төмен
температураларда байқалады. Температураның өсуі тор тербелісін күшейтеді.
Кернеуден өткізгіштіктің тәуелділігі дискретті сипатын жоғалтады. Оның себебі
өткізгіштікке жауапты каналдардың көп саны температуралы қоздырылады (9.4 сурет).
9.3 сурет – Көміртекті нанотүтікшенің
өткізгіштігін өлшеу: а) эксперимент схемасы;
б) түйіспелердің потенциялық диаграммасы
9.4 сурет – Көміртекті нанотүтікше
өткізгіштігінің келтірілген кернеуден
тәуелділігі
Бөтен атомдар мен молекулалардың адсорбциясы нанотүтікшенің электрондық
құрылымын өзгертеді. Бұл өткізгіштіктің өзгеруіне әкеледі. Осыны химиялық
сенсорларды жасауда қолданады.
Көміртекті нанотүтікшелерді қолдану аспаптарын қарастырайық.
1. Химиялық және биохимиялық сенсорлар. Көміртекті нанотүтікшелерде
маңызды қасиеті бар – бөтен атом немесе молекуланың адсорбциясы болғанда
түтікшенің өткізгіштігі өзгереді. Өткізгіштіктің өзгеру шамасы адсорбцияланған
атомдар санына тәуелді. Адсорбция құбылысын зерттегенде Ленгмюр адсорбцияланған
атомдар саны олардың қоршаған ортаға келтірілген қысыммен анықталатынын
айқындады. p  nkT күй теңдеуі бойынша p қысымы кеңістікте атомдардың n
концентрациясымен анықталады. Сондықтан, нанотүтікше өткізгіштігінің өзгеруін
нанотүтікше аймағындағы химиялық заттардың концентрациясын анықтауға қолдануға
болады.
Нанотүтікше беттігін өңдеп бұл қасиетті күшейтуге болады. Соңғы кезде
«көміртекті нанотүтікшелердің коваленттік химиясы» пайда болған. Оның мақсаты –
белгілі заттардың концентрациясын өлшеуге сезгіштігін арттыратын радикалдарды
іздестіріп нанотүтікшеге қосу. Нанотүтікшенің құрылуында әрбір көміртек атомының 3
электроны қатысады, ал төртіншісі қосылатын молекуламен химиялық байланысты
құрастыруы мүмкін. Бұл процесс 9.5 суретте көрсетілген.
Қосылатын функционалдық топтар (радикалдар)
белгілі бөтен атом немесе молекуланың енуін сезеді.
Мұндай қосымша жиынтықтың құрамын іріктеп алғанда
күрделі молекулалардың (соның ішіне ДНК кіреді)
концентрациясын өлшеуге болады.
2. Есептеу жүйелері. Замануи есептеу жүйелерінің
негізін өрістік транзисторлар мен жады ұяшықтарындағы
логикалық элелементтер құрайды. Оқшауландырған
бекітпесі бар өрістік транзистор өткізгіштіктің каналы
электр өрісімен басқарылатын қондырғы болып табылады.
Бұл өріс бекітпенің электродына электр кернеу
жіберілгенде қалыптастырылады. Қазіргі таңда каналдың
рөлін
нанотүтікшелер
атқаратын
транзисторлар
жасалынды (9.6а сурет).
Әзірше осы транзисторлар параметрлері бойынша
кремний негізіндегі транзисторлардан төмендеу болып тұр.
Осы техниканың негізінде алғашқы интегралдық схемалар
жасалынды.
Мұндай
схеманың
электронды9.5 сурет – Көміртекті
микроскопиялық кескіні адам шашымен салыстырылып
нанотүтікшеге
9.6в суретте
келтірілген.
Ақпаратты
сақтау
функционалдық топтар
технологиялардың зерттеулері қазіргі таңда кеңінен
қосу
өткізулуде.
б
в
а
9.6 сурет – Көміртекті нанотүтікше негізіндегі өрістік транзистор (а,б) және
микросхема (в)
Кеңістіктің шағын көлемінде ақпараттың үлкен көлемін сақтау қажеттілігі осы
зерттеулердің өткізу себебі болып табылады. Көміртекті нанотүтікшелер дәстүрлі
кремний планарлық технологиямен үйлесімді жады элементтерін және жаңа
технологиялық элементтерді жасауға мүмкіндік береді.
Мысалы, көп қабырғалы көміртекті нанотүтікшелердің механикалық
қасиеттерінде негізделген жады элементтері дайындалады (9.7 сурет).
Жады элементін жасау үшін көпқабырғалы түтікшенің шеттері ашылады, ал
сыртқы қабықшасы қос электрод арасында бекітіледі (9.7а сурет).
Электр кернеудің оң таңбалы элетродына түтікшенің ішкі бөлігі жылжып
тартылады. Сонымен, әдеттегі екіпозициялық (0,1) және үшпозициялық (0,1,2) жадыны
алуға болады.
3. Көміртекті нанотүтікшелерден электрондық эмиссияның негізіндегі аспаптар.
Заттан вакуумға электрондардың шығу құбылысы электрондық эмиссия деп аталады.
Термоэлектрондық эмиссия кезінде 1000C температурадан жоғары қыздырылған
қатты денеден электрондар шығу жұмысынан артық энергияға ие болып вакуумға
шығады.
Термоэлектрондық эмиссия негізінде электрондық лампалардың катодтары
жасалынады. Шағын энергияны жұмсайтын салқын эмиссиясында электрондар
вакуумға күшті электр өрісі әсерінен шығады. Бұл әдіс аса жоғары кернеулерді талап
етеді. Нанотүтікшелердің зерттеулері жағдайды жақсартуға мүмкіндік берді.
Бірқабырғалы көміртекті нанотүтікшенің радиусы 0,7 нм құрайды. Осындай түтікшенің
шетінде 108 В/см-ден асатын электр өрісті қалыптастыруға болады. Мұндай өрістердің
энергиялары вакуумда электронның шығуына жеткілікті.
Сонымен, нанотүтікшелерден электрондардың өрістік эмиссиясының тиімділігі олардың
шағын диаметрімен және нанотүтікшелердің
шеттеріндегі
жоғары
электр
өрістерімен
анықталады. Технология жағынан тұрақты
параметрлер
эмиссия
тогының
жоғары
тығыздықтары нанотүкшілердің артықшылығы
болып табылады. Дисплейлерде эмиссиялық
токтың тығыздығы 500 мА/см2 асады. Ең жоғары
эмиссиялық қасиеттерге бірқабырғалы түтікшелер
ие. Бұл олардың диаметрі көпқабырғалыларға
9.7 сурет – «Механикалық»
қарағанда елеулі төмен, ал өріс кернеулігі ұштың
жадының жұмыс схемасы
радиусына кері пропорционал заңымен артады.
Эмиссия жарық көздерін (9.8 сурет) және дисплейлердің экрандарын (9.9 сурет)
жасауға қолданылады.
9.8 сурет – Вакуумдағы
жарықтың көзі
9.9 сурет – Дисплей
Көміртекті
нанотүтікшелердің
негізінде
суперкомпьютерлердің,
литий
батареяларының және басқа аспаптардың жасалыну мүмкіндіктері қарқынды
зерттеленуде. Нанотүтікшелерден алынған матрицалар бас миының зақымдарын
жазылуына мүмкіндік туғызады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
Дәріс №10
Дәріс тақырыбы: Фотондық кристалдар – оптикалық асқынторлар
Аннотация. Асқынторлар мен фотондық кристалдардың аумақтық теориясының
ұғымдары қарастырылды.
Кілт сөздер: асқынторлар, фотондық кристалдар, тыйым салынған фотондық
аумақ
Жоспары
1. Фотондық кристалдар
2. Бірөлшемді, екіөлшемді және үшөлшемді асқынтордағы дифракция
3. Аумақтық теория
4. Фотондық кристалдарды алу
Дәріс тезистері
Асқынторлар (crystal superlattic) дегеніміз бұл дене қасиеттерін сипаттайтын
физикалық шамасы (магниттік, электрлік қасиеттері, серпімділігі және т.б.) әртүрлі
болатын периодты түрде алмасатын аймақтары бар қатты денелер. Осы аймақтардың
өлшемдері мен олардың арақашықтығы атомаралық қашықтықтардан анағұрлым үлкен
болады. 1962 ж. академик Л.В.Келдыш асқынтордың аумақтық құрылымын
қарастырды.
Бір осі бойынша периодты (қабатты құрылым) бірөлшемді (1D) асқынтор деп
аталады (1D, ағылшын. dimension – өлшемділік). Қабатты құрылым 1D магниттік
асқынтор болып табылады: кезектесіп алмасатын қабаттар магниттік қасиеттерімен
ерекшеленеді.
Екіөлшемді (2D) асқынтордың мысалы: жартылай өткізгіштің беттігінде
өткізгіштіктің туннельдік түрі бар тосқауыл қабаттармен бөліктелген кванттық
шұңқырлардың жүйесі. Мұндай беттік құрылымдарда периодты түрде екі бағытта
электрлік қасиеттері өзгереді.
Үшөлшемді (3D) асқынторда үш бағытта периодты қайталанатын физикалық
қасиеттері әртүрлі өлшемдері бірдей аймақтар болады.
Фотондық кристалдар (photonic crystal) – бұл электрмагниттік толқындардың
сыну коэффициенті периодты өзгеретін оптикалық асқынторлар.
Жалпы физика курсында дифракциялық тор және ондағы жарықтың
интерференция шарттары қарастырылады. Тор құрамындағы абсолютті мөлдір емес
және абсолютті мөлдір аймақтар алмасып тұрады. Әртүрлі n сыну коэффициенттері бар
аймақтарды периодты түрде кезектестіріп дифракция эффектісін алуға болады
(10.1а сурет). Бұл жағдайда n шамасын өзгертіп интерференция шарттарын басқару
қосымша мүмкіншіліктері пайда болады
Дифракция периодтық торда байқалу үшін түскен электрмагниттік сәулеленудің 
толқын ұзындығы тор периодымен салыстырмалы болу керек. Мысалы, кристалда
дифракция құбылысы атомаралық қашықтыққа жақын толқын ұзындығы бар рентген
сәулелері үшін байқалады да, ал электрмагниттік тербелістердің көрінетін
диапазонында байқалмайды. Кристалдық немесе аморфтық қатты дене негізінде
көрінетін диапазонда немесе инфрақызыл аймақтағы толқын ұзындығымен
салыстыруға келетін периоды бар жасанды дифракциялық торды қалыптастыруға
болады. Бұл үшін қатты денеде периодты қайталанатын әртүрлі сыну коэффициенттері
бар аймақтарды, яғни оптикалық асқынторды немесе фотондық кристалды алу керек
(10.1 сурет).
Фотондық кристалды құрайтын объектілердің арақашықтықтары негізгі ортаның
атомаралық қашықтықтарынан анағұрлым үлкен болады (оптикалық диапазоны үшін –
1000 есе). Фотондық торлар барлық наноқұрылымдар сияқты атомдық кристалдық
торлар мен макроскопиялық жасанды периодтық құрылымдардың арасындағы көлемді
толтырады.
Сыну коэффициентінің периодты өзгеруі бір, екі немесе үш өлшемді түрде
жасалынады, сонда 1D-, 2D-, 3D-фотондық кристалдары алынады (10.2 сурет).
а
б
10.1 сурет – Фотондық кристалдардың
жалпы модельдері
10.2 сурет – 1D, 2D 3D фотондық
кристалдардың модельдері
Дифракциялық тор бір өлшемді фотондық кристалға (1D-құрылымға)
сәйкестенеді. Әртүрлі оптикалық қасиеттері бар қос материалдың жұқа параллель
қабаттардан құрылған конструкциясы 1D-құрылымы болып табылады. Мұнда
қабаттардың қалындығы қарастырылатын электрмагниттік сәулеленудің толқын
ұзындығына шамалас, ал ауданы макроскопиялық өлшемді болу керек.
Бір өлшемді торға қарағанда екі өлшемді дифракциялық тор (2D-құрылымы) үшін
интерференция максимумының шарты күрделі болады. Тор жазықтығына параллель
орналасқан экранда сызықтардың алмасуының орнына ақшыл нүктелер жүйесі
алынады.
Үш
өлшемді
дифракциялық
торда
(3D-құрылымда)
интерференция
максимумының шарты кеңістіктегі барлық бағыттарда берілген толқын ұзындығы үшін
орындалмауы мүмкін. Мұндай торда кейбір толқындар таралмайды. Осылай «тыйым
салынған фотондық аумақ» туралы ұғым қалыптасады. Бұл жағдай қатты денедегі
аумақтық теориясындағы электрондары үшін тыйым салынған энергиялық аумаққа
ұқсас. Электр магниттік толқындары үшін тыйым салынған аумақ (photonic band gap)
ұғымын теорияға еңгізген Э.Яблонович пен С.Джон (1987 ж.). Электрондар мен
фотондар үшін тыйым салынған аумақтардың пайда болуының себебі де бір –
периодты қайталынатын қасиеттері бар ортада толқындардың таралу шарттары.
Классикалық аумақтық теориясына ұқсас фотондық кристалдар топтарға бөлінеді:
өткізгіштер, изоляторлар және жартылайөткігіштер. Көрінетін жарық үшін фотондық
өткізгіштерде рұқсат етілген аумақтар кең, оларда жарық үлкен қашықтықтарда
жұтылмайды. Фотондық изоляторларда тыйым салынған аумақтар кең болады, ал
фотондық жартылайөткізгіштерде ені шағын болады. Мөлдір емес орталарда жарық
энергиясы жұтылып жылу энергияға ауысады. Фотондық изоляторлар жарықты
жұтпайды, оларда жарық таралмайды.
Классикалық жартылайөткізгіштердегі донорлық және акцепторлық деңгейлерге
ұқсас фотондық кристалдардың тыйым салынған аумағында энергиялық деңгейлерді
қалыптастыруға болады. Фотондық кристалдың кейбір элементтерінің орнынында
пайда болған құыстықтар, олардың жіптәрізді құыстықтарға жинақталуы және өзгеше
сыну көрсеткіші бар затпен элементтердің толтырылуы (сыну коэффициенттің
локальдік өзгеруі) мұндай қоспалық өткізгіштікке сәйкестенеді. Жіптәрізді
қуыстықтар әртүрлі пішінге ие жарықтың идеальды өткізгіштіктер болып табылады.
Жарық құыстықтардың бойымен ток сым бойымен өткендей болады.
Қазіргі таңда оптоэлектроникада электрондық және фотондық рұқсат етілген
және тыйым салынған аумақтар бірге қарастырылады. Егер электрон мен кемтіктің
рекомбинация энергиясы (фотоннның энергиясы) тыйым салынған фотондық аумаққа
енетін болса, олардың фотон шығарып рекомбинациясы болмайды. Бұл жағдайда
қоздырылған атомның өмір сүру уақытын ұлғайтуға болады.
1912 ж. үш өлшемді тор ретінде кристалл алынып 0,01-1 нм диапазонында толқын
ұзындығы электрмагниттік шкаладағы рентген диапазонына сәйкестенеді. 1915 ж.
кристалдардың рентген құрылымдық анализ әдісін дамыту үшін Генри және Лоуренс
Брэггтер Нобель сыйлығына иеленді. Айтарлықтай, 1962 ж. Лоуренс Брэгг
лабораториясында өткізілген зерттеулердің (М.Перутц-Д.Кендрю және Д.УотсонФ.Крик – Нобель иегерлері) нәтижесінде гемоглобин, миоглобин және ДНҚ құрылымы
анықталды.
Тыйым салынған аумақ (stop-band) толық болмау мүмкін: кейбір бағыттарда осы
жиілікті электрмагнитті толқындар таралады. Толық тыйым салынған фотондық
аумақты алу үшін фотондық кристалды құрайтын периодтық аумақтардың сыну n1
және n2 көрсеткіштерінің қатынасы, олардың өлшемдері мен формасы, кеңістікте
геометриялық орналасуы өзгертіледі. Көрінетін жарық диапазондағы, инфрақызыл
және ультракүлгін аймақтарындағы толқындар үшін асқын торларды жасау техника
жағынан қызығушылық тудырады. =1,5 мкм толқын ұзындығы бар инфрақызыл аймақ
телекоммуникациялық техникада қолданылады. Мұнда мынадай қиыншылықтар бар:
біріншіден, асқын тордың периодты қайталынатын аймақтар микрон өлшемді болуы
және белгілі бірдей қашықтықта орналасу керек; екіншіден, матрица мен асқын тордың
аймақтарында сыну көрсеткіштерінің айырмашылығы үлкен болуы керек.
1989 ж. электрмагниттік толықындардың миллиметрлік диапазоны үшін бірінші
жасанды асқын торды Э.Яблонович жасап шығарды. Яблоновит – бұл 1 мм диаметрлі
және арақашықтығы шамамен 1 мм каналдары белгілі бұрышта бұрғыланған n=3,6
сыну көрсеткіші бар диэлектриктен жасалынған бірлік. Каналдардың қиылысу
периодты қайталынатын қуыстықтарды қалыптастырады. Толық тыйым салынған
аумақты алу үшін фотондық кристалдың құрылымы кубтік жақпен центрленген торға
сәйкестену керек және оны құрайтын «шариктер» шамалы майыстырылған болу керек.
Яблоновиттегі каналдардың қиылысуы дәл осылай көрінеді.
Фотондық кристалдарды жасау жұмыстардың көбісінде модель ретінде опалдың
кластерлік асқын торы қолданылады. Опал табиғи фотондық кристал болып табылады.
Мұнда атомдарға қарағанда үлкен болып көрінетін SiO2 кремнеземі периодтық «торды»
құрайды (6.3а сурет). Жүздік нанометр өлшемді ірі кластерлер ұсақ кластерлерден
құрылуы мүмкін. Кремнеземнің шариктері негізінде SiO2 құрылған гельтәрізді затқа
батырылған. Опалдау – опал тасының түрінде түстердің сипатты комбинациясы.
Сфералар арасындағы көлемді алып тұрған матрица 25% құрайды (10.3а сурет).
Су опалдың 40%-ға дейін құрайды. Уақыт өтуімен опал суын жоғалтып қарайып кетуі
мүмкін. Опалдың түрін – гидрофанды суға салғанда матрицаның қуыстықтары сумен
толтырылады, сонда тас жартылай мөлдір болады.
Опалдың кремний репликасын алғанда микроскопиялық сфералардың орнына
матрицада қуыстықтар алынады (10.3б сурет). Олардағы ішкі көлемін өңдеп сыну
коэффициенттерін өзгертуге, яғни фотондық кристалдық қасиеттерін басқаруға болады.
10.3 сурет – Опалдың кластерлік тор
(кремнезем қара-жасыл түспен
белгіленген) – (а) және опал құрылымынан
реплика алу модельдері (опалдың
инверсияланған торы) – (б)
Қазіргі таңда тығыз орналастырылған фотондық кристалға сфералық
микробөлшектердің жүйесін өзіндік жинақтауының бірқатар әдісі ұсынылған. Сұйыққа
батырылған кварцтік және полимерлік микросфералар капиллярлық күштер есебінен
белгілі қашықтықта орналасқан жасанды «жырашықтары» (10.4а сурет) бар төсеніштің
жоғарғы жағына көтеріледі.
10.4 сурет – Капилляр күштері әсерінен кварцтық сфералық бөлшектердің өзіндік
құрастырыу (а) және сканерлік электрондық микроскопта алынған жинақталған
бөлшектер беттігінің кескіні (б)
Содан соң, сұйық буландырылады және сканерлеу электрондық микроскоп
реттелген
құрылымдардың
пайда
болуын
тіркейді
(10.4б сурет).
Бұл
нанотехнологиядағы «төменнен-жоғарға» процесінің үлгісі.
Фотондық кристалдардың алу басқа әдістері микроэлектроникада дамыған
литография әдісінде негізделген және «жоғардан-төменге» процесіне сәйкестенеді.
Бірінші жағдайда үшөлшемді голография көмегімен полимерлік фоторезистте
болашақ фотондық кристалдың үшөлшемді кескіні алынды, сосын еримейтін формаға
айналған қарқынды сәулелендіруге ұшыраған учаскілерден улаумен полимер кетірілді.
Басқа вариантта кремний жолақтардан «текшеленген отын» алынды.
Айтарлықтай, неғұрлым пайдалынатын электрмагниттік сәулеленудің жиілігі
жоғары болса (толқын ұзындығы төмен болса), соғұрлым кең тыйым салынған аумақты
үшөлшемді фотондық кристалды алу қиын болады. Оның себебі – шағын периодты
асқынторды және n1-n2 коэффициенттерінің қажетті үйлесуін жасауға техникалық
мүмкіндіктер аз болады. Атомдық кристалдық торларда n вариациялары аз болады.
Сондықтан, рентген спектрінде тыйым салынған аумақтар тар болады және ешқандай
рөльді атқармайды.
Фотондық кристалдар біртекті құрылымға ие болуы керек. Жапон ғалымдары
салмақсыздық жағдайда ғарыш станцияда олардың жасау технологиясын жетілдіруін
жоспарлап отыр.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
3. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №11
Дәріс тақырыбы: Фотондық кристалдарды қолдану
Аннотация.
Кілт сөздер: жарық диодтары, фотонды-кристалдық жарықдиодтары,
Жоспары
1. Фотондық кристалдардың қолданулары
2. Табиғаттағы фотондық кристалдар
Дәріс тезистері
Жарық диодтары – бұл фотондық кристалдардың түрі. Байланыс саласында
бұрыннан әртүрлі жиілігі бар радиотолқындар қолданылады. Соңғы онжылдықта
талшықтық оптика дамиды. Электр токқа қарағанда жарықтың үлкен артықшылығы
бар. Жарық көмегімен ақпарат берілгенде электр токтағы сияқты қосымша электр және
магнит өрістері қоздырылмайды. Екінші жағынан, қоршайтын электрмагниттік
бөгеуілдер (шу) оптикалық сигналды бұрмаландырмайды. Ретрансляторсыз және
күшейткішсіз сигнал мыңдаған километрден өтеді. Тербелістердің жоғарғы жиілігі
болғандықтан тәуелсіз ақпараттың үлкен көлемдерін беруге болады. Талшықтардың
өткізу қабілеті тек қана шығыс пен кірістегі электрондық аспаптардың өткізу
қабілетімен шектеледі.
Жарық диодтың ішкі желісі беттік қабаттарына қарағанда үлкен сыну
көрсеткішіне ие болғандықтан жарық көпеселі толық ішкі шағылысуына ұшырайды.
Бұл дәстүрлі жарық диодтардың жұмыс істеу негізі болып табылады.
Фотондық кристалдарда жарық диоды көмегімен энергияның берілуі басқа
принципте негізделген. Фотондық кристалдың беттік қабаттарында тыйым салынған
аумағы болғандықтан жарық толқындары беттік қабаттарда таралмайды. Фотондық
кристалдың құыстықтары оны қоспалық жартылайөткізгішке ұқсастырады. Бұл жағдай
оқшалауғыш орамасы бар жартылайөткізгіш бойымен электр токтың таралуына ұқсас.
Классикалық жарықдиодты тікбұрышта майыстыру үшін қисықтық радиусы
шамамен 10 толқын ұзындығын құрайды, ал фотондық кристалл негізіндегі
жарықдиодты жартытолқындық радиуста майыстыруға болады. Микроэлектроникаға
бұл жағдай өте маңызды, себебі микросхемаларда жарықдиодтары көпеселі
майыстырылады. Қолданылатын талшық жарықдиодтары толқын ұзындықтарының тек
шағын диапазонында мөлдір болады, ал фотондық кристалдағы жиіліктердің кең
диапазонның болуы тәуелсіз ақпарат ағынының ұлғаюына әкеледі.
Фотондық кристалдың қолдануы кабельдегі сигналдарды әртүрлі жолмен
бағыттап керек жиілікті басқаларынан ажыратуға болады. Фотондық өткізгіштерде
жылу шығарылмайды. Жылудың шығаруы интегральдік схемалардың тығыздығы мен
ырғақ жиіліктің арттыруына кедергі болады. Жоғары жиілікті электрондық
қондырғыларына сипатты болатын өздік индукциясы екінші маңызды мәселе болып
табылады. Жарық ағындарында мұндай мәселе жоқ.
Алынған фотондық кристалдарда ақпараттың жіберу тиімділігі 95% құрайды, ал
стандартты жарықжіберуші орталары үшін бұл көрсеткіш 30% болады.
Талшық-оптикалық технологиясында көлденең қимасында гексагональды
құрылымды құрайтын 20 мм диаметрлі кварцтық легирленген түтікшеге 1 мм
диаметрлі капиллярлар енгізіліп, дайындама 2000C температурада созылады. Сонда
барлық өлшемдер мыңдаған есе азаяды.
Оптикалық талшықтарды құрылымы 11.1 суретте көрсетілген. Кейбір оптикалық
талшықтардың ортасында жарықөткізуші талсымы бар. Мұнда «текшеленген отын»
негізіндегі жарықдиодтарындағыдай принцип қолданылады. Басқа оптикалық
талшықтарда (тұтас орталық жарықөткізуші талсымы бар) өткізгіштіктің механизмі
аралас болады (жартылай – толық ішкі шағылуы, жартылай – тыйым салынған
фотондық аумақты пайдалану).
Фотонды-кристалдық жарықдиодтары (ФК-жарықдиодтары) – әртүрлі
сенсорлардың перспективалы элементі. Механикалық, жылу және басқа әсерлерінен
ФК-жарықдиодтардың оптикалық сипаттамалары өзгереді. Сигнал үлкен қашықтықта
қабылданады, ал жүйе жоғары радиациялық және коррозиялық беріктікке ие болады.
Фотондық кристалдарда фотондардың
қақпандар жасалынады. Бұл қоршаған
материалда өткізгіштіктің фотондық аумағы
болмағандықтан
фотондардың
шығуына
тыйым салынған кристалдағы аймақ. Бұл
жағдай диэлектрикпен қоршалған зарядталған
өткізгішке ұқсас. Фотондық кристалдардағы
11.1 сурет – Фотондық кристалдарда қармау (confinment), сәуле шығару құбылысын
негізделген жарықдиодтардың түрлері жады
элементтерінде,
оптикалық
транзисторларда және т.б. қолдануы мүмкін.
Фотондық кристалдарды қыздыру шамдардың тиімділігін арттыруға
қолданылады. Қазіргі таңда қыздыру шамы шығаратын энергияның тек 5% жарықтың
көрінетін диапазонына кіреді, қалған энергия жылу ретінде шығарылады. Фотондық
кристалда инфрақызыл диапазон тыйым салынған аумаққа кіреді, ал энергияның негізгі
бөлігі спектрдің көрінетін аймағында шығарылады. Баяу балқитын кеуекті металдан
(вольфрамнан) жасалынған материал ауада немесе басқа диэлектрлік ортаға
батырылады. Бұл 3D-фотондық кристалдың периоды 4,2 мкм, ал құрылымның
элементтер қалындығы 1,2 мкм. 8-20 мкм диапазондағы тыйым салынған кең аумағы
қыздыру шамның тиімділігін 60% дейін арттыруға мүмкіндік береді.
Тыйым салынған фотондық аумақтың орналасу мен енін өзгертіп жарық
ағындарды басқаруға фотондық жартылайөткізгіштер қолдануы мүмкін. Мысалы,
жасанды опалдардың репликаларында-фотондық кристалдарда қуыстықтар электр
немесе магниттік өрістердің әсерінен сыну коэффициентін өзгертіп тұратын затпен
қапталған. Сонда тыйым салынған аумақтың орналасуын басқаруға болады.
Қоздырылған атомдармен жарықтың шығаруы кездейсоқ процесс болатындықтан,
эмиссия уақытын бақылауға болмайды. Мұнда тек оның орташа мәні туралы айтуға
болады. Фотондық кристалда жарықтың эмиссиясын баяулатуға немесе үдетуге
болады.
2004 ж. жасанды инверттелген опал негізінде лазер жасалынды. 240-650 нм
қашықтықтарда орналасқан қуыс сфераларға 4,5 нм диаметрлі кадмий селениді
жартылайөткізгіштігінің коллоидты бөлшектер енгізілді. Лазер импульсі көмегімен бұл
“жасанды атомдар” қоздырылған күйіне ауыстырылды және де эмиссия уақыты
бақылауға мүмкіндік болды.
Жартылайөткізгіштік
лазерлердің
модификациялау
мәселесі
шешілді.
Көпкаскадты жартылайөткізгіштік лазер нанометрлік қабаттарынан құрылған 1Dқұрылымы болып табылады және сәулеленуді барлық бағыттарға қабаттар
жазықтықтарына параллель шығарады.
Электронды-сәулелік литографиялық қондырғы көмегімен жартылайөткізгіш
қабаттарына фотондық кристалдың гексагональды құрылымы қондырылды. Соның
нәтижесінде лазер сәулеленуді жартылайөткізгіш қабаттарына перпендикуляр
шығарады және оған қосымша фокустау құрылғылар керегі жоқ. Бұл оның қолдану
аймағын кеңейтеді. Айтарлықтай, фотондық кристалдағы жаңа лазердің өлшемдері
шамамен 50 мкм құрайды.
“Теңіз тышқаны” (Genus Aphrodita) деп аталатын тереңдегі теңіз құрттың
терісінен 100% тиімділікпен спектрдің барлық көрінетін аймақта жарық шағылысады
(11.2 сурет).
11.2 сурет – Genus Aphrodita теңіз құрты (а), оның түрлі түсті инелері (б,в) және
сканерлеу электрондық микроскоптағы иненің көлденең қимасының кескіні (г)
Жануарлардың қабыршақтары мен қауырсындағы түрлі түсті құбылыстар
олардың 2D-фотондық кристалдың периодты құрылымына байланысты
Электрондық микроскоп көмегімен тропик көбелектердің еркектер қанаттары
зерттелініп, олардың субмикрондық саңылаулары бар тор тәрізді реттелген құрылымы
айқындалды (11.3 сурет). Осы құрылым жарықтың жұтылу мен қанаттардың қызуын
төмендетеді.
Көрінетіндей, солтүстік аудандардағы көбелектерде қанаттары қызыл қоңыр түсті
болады. Мұндай фотонды-кристалдық құрылымның беттіктің жылулық тепе-теңдігіне
әсерін ғарыш пен шөл далада жұмыс істеуге арналған қорғайтын скафандрлерде
қолдануға болады. Әртүсті маталарды да осындай принциппен жасалануда.
Опал (жылтыр тас) кванттық оптикалық технологияларда қолданылатын асыл
тастарға жатады. 1960 ж. толқын ұзындықтарының оптикалық диапазонда бірінші
лазерді рубин (лағыл тас) кристалының негізінде жасалынған. Кристалдық александрит
негізінде қайта құрылатын қаттыденелік лазерлер алынды. Қуатты лазерлер иттрийалюминий гранаттар кристалдарында жасалынды. Асыл тастардың қазіргі техникада
қолдануы зор.
11.3 сурет – Morpho rhetenor (а) көбелегі, оның қанатындағы белгіленген учаскісі (б)
және сканерлеу электрондық микроскопында түсірілген тропик (в,г) және онтүстік (д)
аудандардағы көбелектердің қанаттары
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
3. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №12
Дәріс тақырыбы: Наноэлектроника
Аннотация. Электроника қондырғыларының өлшемдері төмендеуіне байланысты
наноэлектрониканың дамуына көніл аударылды және миниатюрлеу мәселесін шешуге
әкелетін физикалық процестердің негіздері қарастырылды.
Кілт сөздер: наноэлектроника, Мур заңы, бірэлектронды транзистор, кулондық
бұғаттау, резонансты туннельдеу
Жоспары
1. Нанообъектілер негізіндегі электрондық аспаптар
2. Бірэлектрондық транзистор
3. Резонансты-туннельдік диод
Дәріс тезистері
Наноэлектроника дегеніміз бұл өлшемдері 100 нм төмен элементтері бар
интегральды электрондық схемалар мен олардың негізінде қондырғыларды алуының
физикалық және технологиялық негіздерін жетілдіруімен айналасатын электрониканың
саласы.
Асатөмен өлшемді жаңа электрондық қондырғыларды жетілдіру, оларды алу
әдістерін қалыптастыру және интегральды схемаларға біріктіру наноэлектрониканың
негізгі міндеті болып табылады.
Қазіргі таңда электроника дамуының негізгі тенденциясы миниатюрлеу болып
табылады, яғни аспаптар мен қондырғылардың массасы мен өлшемдерін төмендетуі.
1965 ж. Intel компаниясының басшыларының бірі Гордон Мур заңдылықты ашты.
Мур заңы бойынша, 1,5-2 жылда интегральды схемаларда электрондық
компонеттерінің орналастыру тығыздығы екі есе ұлғаяды, сонда бұл есептеуіш
құрылғылардың қуаты мен олардың өнімділігінің өсуіне әкеледі. 12.1 суретте Intel
компаниясының процессорларына қатысты Мур заңның орындалуы көрсетілген.
Интегральды схемаларда элементтердің орналастыру тығыздығын
Транзисторла
арттыруы
олардың
физикалық
өлшемдерін азайту есебіне жүзеге
асырылады. Бірақ, бұл әдістің шегі бар.
Кеңістікте орналасуы 1 атоммен
анықталатын 1 электрон көмегімен 1
бит ақпаратты сақтауға және жіберуге
болатын теориялық мүмкіндігі бар.
Сонымен,
интегральды
схемелар
элементтерінің өлшемдері бірнешеу
атомдық қабаттарды құрайтын болады.
Бірнешеу
нанометр
өлшемді
элементтері
үшін
кванттық
механика
12.1 сурет – Мур заңының демонстрациясы
заңдары орындалады.
2007 ж. атомдық шектеулері мен жарық жылдамдығының әсерінен Мур ашқан заңы
орындалмайтыны туралы мәлімдеме жасады.
Электрондық аспаптар миниатюрлеуінің жаңа саты өтуін электроникада
нанообъектілердің (нанобөлшектер, кванттық нүктелер, кванттық шұңқырлар,
көміртекті нанотүтікшелер) қолдануынан көруге болады. Мұнда аспаптар интегральды
микросхемалардан интегральды наносхемаларға ауысады.
1986 ж. кеңес ғалымдары К.К.Лихарев пен Д.В.Аверин кулондық бұғаттау
эффектісі негізінде жасалынған бірэлектронды транзисторды ұсынды. Бұл эффекте
екі туннельдік ұштар арасындағы қосылған кванттық нүктеден электрондардың өтуіне
бұғаттау жасалынады. Мұндай бұғаттау кванттық нүктедегі электроннан ұштарлардағы
электрондардың тебілетіндігенен және нүктеде орналасқан электрон қосымша
кулондық потенциалдық тосқауылды қалыптастырылатынан пайда болады. Кулондық
бұғаттау нүктеден электронның ұшып шығуына және нүктеге жаңа электрондардың
түсуіне кедергі жасайды. Кулондық бұғаттаудан өту үшін потенциалдық тосқауылдың
биіктігін азайту немесе электрондардың энергиясын жоғарлату керек.
Бірэлектрондық транзистор өрістік жартылай өткізгіштік транзистор сияқты үш
электродтардан құрылған: бастау, ағу және бекітпе (12.2 сурет). Электродтар
арасындағы аймақта қосымша металдық немесе жартылайөткізгіштік «наноарал»
орналасады. Электродтардан диэлектрлік қабатшалармен оқшауланған нанобөлшек
немесе нанометрлі кластер мұндай «наноарал» болып табылады. Қабатшалардан белгілі
жағдайларда электрон өтіп кетуі мүмкін.
Транзистордың
бастау
мен
ағу
арасында кернеу келтірілгенде ток өтпейді,
себебі
бұл
жағдайда
электрондар
нанобөлшекте бұғатталады. Токтың пайда
болуы үшін басқару электродта (бекітпе)
потенциалды арттыру керек. Бекітпедегі
потенциал белгілі шектік шамадан асқанда
бұғаттау жойылады, электрон тосқауылдан
өту қабілетіне ие болады және бастау-ағу
тізбегінде ток өтеді. Тізбекте ток бір-бір
12.2 сурет – Бірэлектронды транзистор электрондардың қозғалысына сәйкестенетін
үлес-үлеспен өтеді. Сонымен, бекітпедегі
потенциалды өзгерте отырып тосқауылдан электрондарды бір-бірден өткізуге болады.
Нанобөлшектегі электрондардың саны 10-нан аспау керек. Мұндай шарт 10 нм өлшемді
кванттық құрылымдарда орындалады.
Бірэлектрондық транзисторлардың негізіндегі сандық интегралдық схемаларда
ақпараттың 1 биты («0» немесе «1» қос мүмкін күйі) нанобөлшектегі 1 электронның
болуы немесе болмауы ретінде көрсетіледі. Сонда 1012 бит (қазіргі асаүлкен
интегралдық схемалардан 1000 есе артық) сыйымдылығы бар жады схемасы 6,45 см2
ауданы бар кристалда орналасады.
Туннельді байланысқан наноаралдардың санын арттырып әртүрлі бірэлектрондық
аспаптарды жасауға болады. Бірэлектрондық қақпанның басты қасиеті – би- немесе
мультитұрақты деп аталатын ішкі зарядтық жады. Бірэлектронды қақпанда бекітпеге
келтірілетін кернеу диапазонында наноаралдардың біреуі (әдетте бекітпеге жақын
орналасатын) бір, екі немесе одан көп тұрақты зарядтық күйде бола алады, яғни
наноаралда бір, екі немесе одан да көп электрондар болуы мүмкін. Қазіргі таңда
осының негізінде әртүрлі логикалық элементтер жасалуда, болашақта олар
нанокомпьютерлердің элементтік базасы болуы мүмкін.
Түйіскен қос жартылай өткізгіш материалдарда зарядталған бөлшектердің
жиынтығымен қалыптастырылатын потенциалдық тосқауылдан электрондардың өту
эффектісінде бірнеше қызықты ақиқаттар анық болды. Аса төмен өлшемді құрылымда
бұл эффекттің қасиеттері құрылымның ішіндегі электрондар энергиясына тәуелді.
Соның нәтижесінде қос потенциалдық тосқауылы бар наноқұрылымда электрондар
жіберетін электродтағы электрондардың және наноқұрылымның бос энергиялық
деңгейдегі энергиялардың сәйкестенуі кезінде одан өтетін токтың секірмелі күшейюі
байқалады. Бұл құбылыс резонансты туннельдеу деп аталады.
Алғашқы рет бұл құбылыс 1958 ж. жапон зерттеушісі Л.Эсакидің жұмыстарында
қарастырылды. Бірақ, резонансты-туннельдік диодтар мен транзисторлар ХХ ғ. 90
жылдарының басында пайда болды.
Резонансты-туннельдік диод аса күрделі перидтық құрылымға ие (12.3а сурет),
оның кейбір аймақтары бірнеше нанометрді құрайды.
Резонансты-туннельдік диодтың жұмыс істеу принципін қарастырайық. Одан өтіп
бара жатқан ток, оған түсірілген кернеудің өлшеміне байланысты. Егер келтірілген
кернеу аз болса және потенциалдық тосқауылдан өткен электрондардың энергиясы
дискретті деңгейдегі энергиядан аз болса, тосқауылдың мөлдірлігі мен өтетін токта аз
болады. Электрондар энергиясы дискретті деңгей энергиясымен теңескендегі
кернеулерде ток максималды мәнге ие болады. Одан жоғары кернеулерде электрондар
энергиясы дискретті деңгей энергиясынан асады да электрондар үшін тосқауылдың
мөлдірлігі азаяды. Сол кезде ток та азаяды. Резонансты туннельдік диодтың вольтамперлік сипаттамасы 12.3б суретте көрсетілген. Вольт-амперлік сипаттамада
максимумы мен теріс дифференциалдық кедергісі бар учаскісі байқалады. Бұны
көпдеңгейлі логикалық элементтерді, жады элементтерін және қаттыденелік асажоғары
жиілікті генераторларды жасауға тиімді болады.
а
б
12.3 сурет – Резонансты-туннельдік диодтың құрылымы (а) және вольт-амперлік
сипаттамасы (б)
Резонансты-туннельдік диодқа басқару электродын қосып резонансты-туннельдік
транзисторды алуға болады. Мұндай транзисторларда ауыстыру жиілігі 1012 Гц
құрайды. Бұл замануи интегралды схемалардан құрылған ең жақсы кремний
транзисторларлағыдан 100-1000 есе жоғары.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №13
Дәріс тақырыбы: Нанокомпьютерлер
Аннотация. Кванттық компьютерлер жасалудың дамуына шолу жасалынды,
оптоэлектроника құралдары, жарық диодтары мен лазерлерді шығаруының
нанотехнологиялары талқыланды.
Кілт сөздер: кубит, кванттық параллелизм принципі, фоторезистор, фотодиод,
фототранзистор,
жарықшығарғыш
аспаптар,
оптожұптар,
оптоэлектрондық
интегралдық схемалар, гомоауысу, гетероауысу, тосын сәуле шығару, инверсиялық
толымдық
Жоспары
1. Кванттық оптоэлектроника
2. Жарық диодтар
3. Лазерлер
Дәріс тезистері
Наноэлектроника қазіргі таңда жаңа есептегіш техникалар – нанокомпьтерлер
шығара бастады. Нанокомпьтерлер әр түрлі бағытта дами түседі және оның
генетикалық, молекулалы-биологиялық т.с.с түрлері болады. Соның бірі кваттық
есептеулер теориясынан пайда болатын құрылғы – кванттық компьютерлер.
Кванттық компьютерлер – бұл квантты-механикалық эффектілерде қолданылып,
кванттық алгоритмдерді шешуге жасақталған есептегіш техника. Кванттық
компьютерлер кванттық логика негізінде жұмыс істейді.
Кванттық есептеулер туралы алғашқы ойды 1980 ж. Ю.И.Манин айтқан болатын,
бірақ белсенді түрде бұл мәселені 1982 ж. америкалық физик-теоретик Р.Фейнман
қарастырды. Оның мақалаларында есептеулер үшін кванттық жүйелер күйлеріндегі
операцияларды қолдануы ұсынылды. Классикалыққа қарағанда кванттық жүйенің әрбір
күйі суперпозиция күйде орналасуы мүмкін. Классикалық компьютердің термині
бойынша кванттық бит (quantum bit=кубит) кванттық механиканың заңдарына сәйкес
бірмезетте екі бірдей «0» және «1» ықтималды күйде орналасады. Сонда екі кубит төрт
санды көрсетіп төрт аралас күйде болады – 00, 01, 10, 11. Дәрежелік заң бойынша өсуді
байқауға болады: m кубитте бір мезетте 2m санмен есептеулер жүргізуге болады.
Бірнеше жүз кубитпен Әлемдегі атомдар санынан көп санды бір мезетте көрсетуге
болады. Дәл осындай кванттық компьютердің есептеу жылдамдығын арттыруы туралы
болжау жасауға болады. Бұл болжау кванттық параллелизм принципінде негізделген.
Кванттық параллелизм принципі – кванттық есептеулерде m-кубитті
суперпозицияда бөлек операция элементар қадам болып табылады. Классикалық
компьютерде бір кіріс күйге жалғыз шығыс мәнін есептегенде, кванттық компьютерде
барлық кіріс күйлер үшін шығыс мәндері алынады. Басқаша айтқандай, замануи
компьютерлер жүзжылдық уақытта шығаратын есептерін кванттық компьютер қысқа
уақыттың ішінде есептейді.
Қазіргі таңда кванттық нүктелер мен асқынөткізгіш ауысулар негізіндегі кванттық
компьютерлердің конструкциялары ұсынылды. «Orion» компьютері 16 «кубиттен»
құрылған микросхемада негізделген (13.1 сурет). Бірақта, кванттық компьютерлерде
ақпараттың бір мағыналы емес интерпретациялау мәселесі бар.
Әрбір мұндай кубит соленоидпен қоршалған ниобий бөлшектерінен тұрады.
Шынында, «Orion» есептерді физикалық модельдеу әдісімен шығаратын аналогты
компьютер болып табылады. Мұндай компьютер күрделі және машинаның көп уақыт
алатын модельдер есептеуіне арналған.
Оптоэлектроника қазіргі таңда оптикалық сәулеленуді электр токка және
керісінше, токты сәулеленуге) түрлендіретін физика мен техниканың бір саласы болып
табылады. Адам қабылдайтын ақпараттың 90% оптикалық ақпарат құрайды.
Оптоэлектроника қондырғыларының қолданылу аумағы өте кең. Оптоэлектроника
құрылғыларының түрлері:
– фотоқабылдағыштар
–
жарықтың электр тоғына түрлендіргіштер. Жарық әсерінен кедергінің
өзгеру принципімен жұмыс істейтін
фотоқабылдағыш фоторезистор деп
аталады. Егер оның негізі диод немесе
транзистор болса, сәйкесінше фотодиод
және фототранзистор деп аталады.
Фотоэлектрондық көбейткіш фотоқабылдағыштарға жатады.
13.1 сурет – 16-q-биттік ‘Orion”
– жарықшығарғыш аспаптар –
процессорының: (а) – схемасы; (б) –
токты жарық сәулеленуге түрлендіргішфотографиясы
тер. Қыздыру шамдары, электрлюминесценттік индикаторлар, жартылай өткізгіштік жарықдиодтары және лазерлер жарық
шығарғыш аспаптарына жатады.
– оптожұптар – жарықшығарғыш аспап-фотоқабылдағыш жұбы немес токжарық-ток түрлендіргіштері. Оларды электр тізбектірді оқшаулауға пайдаланады.
– оптоэлектрондық интегралдық схемалар – бөлек түйіндері немесе
компоненталары оптикалық байланыста болатын интегралдық микросхемалар.
p-n-ауысуда негізделген диодтар мен лазерлер нанотехнология жетістіктерін
қолданатын кең таралған аспаптары болып табылады.
Когорентті толқындар ( лат. cohaerens – байланыста тұрған) – жарық
толқындарының сәйкестендірілген тербелістері.
Гомогенді p-n-ауысуда (гомоауысуда) құрастырылған жарық диодынының жұмыс
істеу принципін қарастырайық.
Гомоауысу деп p- және n-аймақтары бір материалдан жасалған p-n-ауысу
аталады. Егер p- және n-аймақтарының материалдары әр түрлі болса, мұндай ауысу
гетероауысу деп аталады.
Тоқ тізу бағытта жүрген кезде ған жарық диодтары жарықты шығарады.
Электрондар n-аймақтан p-n-ауысу аймағына түседі, ал кемтіктер – p-аймағынан.
Кемтіктер оң зарядты тасымалдайды және кристалдық торда атомдардың химиялық
байланысының жоқтығы болып көрінеді. Сондықтан, кемтік пен электрон кездескенде,
ток қос тасымалдаушысы жойылады. Нәтижесінде қос электроннан құрылған бейтарап
химиялық байланыс алынады. Қозғалмалы электронның энергиясы химиялық
байланыстағыдан жоғары болады, сондықтан электрон мен кемтік соқтығысқанда
жарық квант түрінде энергия шығарылады (13.2 сурет). Жарықтылығы жарық диодтағы
токқа пропорционал екендігі мәлім. Бірақта, ток өскенде жылумен қыздыруы артады.
Бұл гомогендік жарық диодтардың қолдануын шектейді.
13.2 сурет – Гомоауысуда жартылай өткізгіш жарық
шығаратын диодтың құрылымы
Көп уақыт бойы жарық диодтар спектрдің тек қызыл және инфрақызыл
аймақтарында сәуле шығаратын аспаптар үшін өндірілген. Алғашқы жасыл жарық
диодтары галлий GaP фосфидінен, ал көктерді кремний SiC карбидынан жасалынды.
Бірақта, бұл материалдарда сәулелендіру қарқындылығы өте аз немесе олар тез қызады.
Менделеев кестесіндегі III топтағы элементтердің нитридтері (AlN, GaN, InN)
зертелінді. Осы материалдар спектрдің барлық көрінетін және ультракүлгін
аймақтарында (240-620 нм) сәуле шығарады. XX ғ. 70-жылдары IBM компаниясының
Ж.Панков тобы GaN эпитаксиялық ұлпалары негізінде күлгін және көгілдір диодтарын
жасаған. Бірақ олар тез қызғыш болатын. Басқа материалдың төсенішінде 20-100 нм
қабаттарды өсіріп эпитаксия процесінің жетілдіруі жасалынды. 1989 ж. Ш.Накамура
алғашқы GaN негізінде гетероқұрылымдарды алды. Осылай GaInN-GaAlN
гетероауысуларында жарық диодтары жасалынды.
Гомоауысудан гетероауысу p- және n-аймақтарының жоғары дәрежелі
легирленуімен ерекшеленеді. Легирлеу – бұл өткізгіштіктің p немесе n түрін
анықтайтын қоспаны жартылай өткізгішке қосу. Жоғары легирленуге ұшырағанда осы
аймақтардың кедергісі едәуір азаяды. Сондықтан, ток өту кезінде гомоауысуға
қарағанда жылу аз мөлшерде шығарылады. Оған қоса, мұндай жарық диодтарында
электрондар мен кемтіктердің концентрациясы жоғары болады, сәйкесінше
жарықдиодтардың жарықтылығы жоғары болады. Замануи қолданылатын материалдар
барлық көрінетін диапазонда сәулеленулерді шығарады (13.3-13.4 сурет).
13.3 сурет – InGaN/AlGaN/GaN және
AlInGaP/GaP гетероқұрылымдар
негізіндегі жарық диодтардың сәулелену
спектрлері
13.4 сурет – 11050 град сопақ оптикалы
жарық диодтары («СОТСО» компаниясы)
InGaN/AlGaN/GaN спектрлері тұтас сызықтартармен, ал AlInGaP/GaP спектрлері
жіңішке сызықтармен көрсетілген.
Лазер (ағыл. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation –
мәжбүр сәуле шығаруымен жарықты күшейту) – когерентті жарық ағынын
қалыптастыру үшін мәжбүр сәуле шығаруды пайдаланатын құрылғы. Лазерлер
сәйкестендірілген (яғни жиіліктері, ұзындықтары мен бағыттары бірдей) толқындарды
шығарады. Жартылай өткізгіштік лазер ең ықшам, үнемді және сенімді лазер болып
табылады. Сондықтан да оны CD-DVD-плейерлерде, лазерлік принтерлерде,
компьтерлерде қолданылады. Телефон, интернет, оптикалық және басқа кабельді
байланыстар жартылай өткізгіштік лазерлер арқасында кеңінен пайдалануда.
Замануи нанотехнологиялардың дамуы біратомды қалыңдықты (1 нм-ден төмен)
қабаттардың өсуін бақылауға мүмкіндік береді. Осындай гетероқұрылымдардың ауысу
диодты лазерлердегі ток тығыздығының 104-105 есе азаюына әкелді.
Жартылай өткізгіштік лазерлердің тағы бір артықшылығы – оның жұмысының
ресурсы. Алғашқы үзіліссіз лазерлердің ресурстары бірнеше секунд болса, қазіргі
лазерлерде миллион сағатқа дейін барады.
Түсірілген сәуле шығару құбылысы лазердің физикалық жұмысының негізі болып
табылады.
Бір күйден екінші күйге атомның өздігінен ауысу кезінде шығарылатын сәулелену
тосын сәуле шығару деп аталады. Сәулелену шығаруының басталуы мен аяқталуы
бір-бірінен тәуелсіз болғандықтан әртүрлі атомдардың тосын сәулеленуі когерентті
болмайды. 1916 ж. А.Эйнштейн мынадай болжам жасаған: жоғарғы энергия деңгейден
төменгі деңгейге фотон шығарып электронның ауысуы сол ауысудың өздік жиілігіне
тең жиілікпен сыртқы электрмагниттік өрістің әсерінен болады. Мұндай сәулелену
мәжбүр немесе индуцияланған (түсірілген) сәуле шығаруы деп аталады.
Электрмагниттік өрістің жиілігі қоздырылған атомның төменгі энергия деңгейіне
ауысқандағы сәулеленудің өздік жиілігіне сәйкестенгенде индуцияланған сәулелену
пайда болады (13.5 сурет).
Сонымен, қоздырылған атомның және ауысу жиілігіне тең жиілікке ие фотонның
өзара әрекеттесуінің нәтижесінде энергия мен қозғалу бағыты бірдей екі егіз фотон
алынады.
Гетероқұрылымдар негізіндегі жартылай өткізгіштік лазер келесі схема бойынша
жұмыс істейді. p-n-ауысу арқылы тура бағытта ток жіберіледі. Екі бір-бірімен
бәсекелесетін процесс өтеді. Бірінші жағынан, p-n-гетероауысуға электрон мен кемтік
түскенде жарық кванты шығарылады. Екінші жағынан, қоздырылмаған
электрондардың бір бөлігі жарық кванттарын жұтады, сәулеленудің қарқындылығы
мен қуаты азаяды. Ток артқанда жұту процесінен сәуле шығару процесі басым болады.
Нәтижесінде инверсиялық толымдық орын алады.
Инверсиялық
толымдық
дегеніміз
бұл
жартысынан
көп
заряд
тасымалдаушылардың (электрондардың) қозып тұрғандағы күй. Фотондар жолында
қоздырылмаған электрондарға қарағанда қоздырылған электрондар жиі кездеседі.
Сондықтан, фотондардың индуцияланған сәулеленуі олардың жұтылуына қарағанда
жиі орын алады. Деңгейлердің инверсиялық толымдықты ортадан өту кезінде
жарықтың күшейюін тәжірибе жүзінде 1951 ж. алғашқы байқаған ресейлік физиктер
В.А.Фабрикант, М.М.Вудынский және Ф.А.Бутаева.
Гетероқұрылымдардағы лазерлердің қолдануы табалдырықтық токты азайтуға
мүмкіндік берді. Табалдырықтық ток дегеніміз бұл лазердің когерентті сәуле
шығарудағы минималды ток. Гетероқұрылымдардың пайдалануымен табалдырықтық
ток пен активті аумақтың өлшемдерін азаюын көрсеткен Ж.И.Алферов. Гетеролазердің
түрі 13.6 суретте көрсетілген.
13.5 сурет – Мәжбүр сәуле шығару
механизмі: E2 – қоздырылған электрон
энергиясы, E1 – қоздырылмаған
электронның энергиясы, E2–E1=h
13.6 сурет – Кванттық шұңқырлардағы
инжекциялық лазердің эпитаксиялық
қабаттардың құрылымы
Мұндай құрылымда артық тасымалдаушылар қос жағынан потенциалдық
тосқауылдармен (GaN) шектелген активті аймақтың (InGaN кванттық шұңқырдың)
ішінде орналасады. Сондықтан олар қасындағы аймақтарға таралмайды.
Жартылай өткізгіштік лазерлерге қарағанда кванттық шұңқырлардағы лазерлер
бірқатар артықшылықтарға ие. Кванттық шұңқырдың параметрлерін өзгертіп мұндай
аспаптардың сипаттамаларын басқаруға болады. Шұңқырдың өлшемдерін азайтқанда
лазер шығаратын сәулеленудің жиілігі артады. Кванттық шұңқырдың енін өзгеркенде
сәулеленудің өшуін азайтуға болады. Жартылай өткізгіштік лазерлерге қарағанда
кванттық шұңқырдағы лазерлерде кеңістікте заряд тасымалдаушылардың локальдігінен
инверсиялық толымдықты алу үлкен мәселеге айналмайды. Сондықтан, кванттық
құрылымдардағы лазерлер өте үнемді және пайдалы әсердің жоғары коэффициентіне ие
болады. Мұнда электр қуатының 60%-ға дейін жарыққа айналдырады.
Төмен өлшемді құрылымдар технологиясының дамуы кванттық нүктелер мен
кванттық жіптерде жартылай өткізгіштік лазерлердің шығаруына әкелді. Кванттық
нүктелердегі құрылымдардың қолдануы лазер параметрлерінің температуралық
сезгіштігін азайтуға мүмкіндік береді. Пайдалануға маңызды материалдың
сипаттамалары кванттық нүктенің геометриялық өлшемдері мен пішініне тәуелді. Осы
қасиетті құрамы бірдей жартылай өткізгіштік материалдарды әртүрлі функциялары бар
аспаптарды жасауға болады. Кванттық шұңқырларға қарағанда өлшемі төмендеу
болғандықтан лазер сәулеленудің жаңа спектрлік диапазондарды алуға болады.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.5. – М., Мир,
1976.
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №14
Дәріс тақырыбы: Микроэлектрмеханикалық жүйелер
Аннотация. Микрожүйенің түрлері, оның функциялары қарастырылды.
Микрожүйенің мембраналық күштік элементтері схемасы талқыланды.
Кілт сөздер: микрожүйе, сезгіштік функция, есептегіш функция, өндіргіш
функция,
Жоспары
1. Микроэлектрмеханикалық жүйелерінің элементтері
2. Мембраналық күштік элементтер
3. Көміртекті нанотүтікшілер негізіндегі МЭМС күштік элементтері
Дәріс тезистері
Микрожүйелік техника аз уақыт ішінде-ақ ХХ ғасырдың жоғары және сынды
технологиялардың біріне айнала бастады. Автономды микрожүйелер соның ішінде
микророботтар өнеркәсіпте, медицинада, денсаулық сақтау мен экология саласында кең
қолданыла бастады. Микрожүйелер аумағындағы терминология әлі дами қойған жоқ.
Бірақ кең қолданылып жүрген термин – «микроэлектрмеханикалық жүйе» (МЭМЖ).
Одан соң «микрооптикалы-механикалық жүйе» (МОЭМЖ) және «микрохимиялыэлектрмеханикалық жүйе» (МХЭМЖ) терминдері пайда болды.
Микрожүйе – бұл сезгіштік, есептегіш және өндіргіштік функцияға ие өте
кішірейтілген жүйе.
Жүйенің сезгіштік (сенсорлы) функциясы бұл қоршаған ортадағы химиялық және
биологиялық компоненттердің концентрацияны анықтай білу қабілетіне ие болуы.
Есептегіш функция дегеніміз бұл микрожүйеде есептегіштің (процессордың)
болуы. Процессор қажетті есептеулерді жүргізеді және ақпаратты басқа қондырғыларға
жібереді.
Өндіргіш функция дегеніміз бұл микрожүйеде микроскопиялық реттегіш
механизмдері жасақталғандығының болуы. Ол механизмдердің жұмысын басқарады.
Микрожүйеде әдетте бір чипте немесе мультичипті платада интегралданған
электр, механикалық, оптикалық, химиялық, биологиялық, магниттік ж.с.с
қасиеттерінде жұмыс істейтін екі немесе одан да көп құрылғылар комбинациясы
қолданылады.
МЭМЖ – бұл микрометрден миллиметр дейінгі өлшемдіжәне интегралды
схемалар технологияларымен үйлесімді технологиялар бойынша жасалған электр және
механикалық компонеттерін комбинациялайтын интегралданған микроқұрылғылар
немесе жүйелер (14.1 сурет).
Сонымен замануи интегралды схемалар жасау технологиясы МЭМЖ
технологиясымен тығыз байланыста болады. Алайда бұл саладағы ғылыми ойларды
жүзеге асыру үшін, бұл салаға физиканың, химияның және биологияның басқа да
жетістіктерін интегралдау керек.
Микрожүйелік техниканың барлық элементтерін жасайтын технология жоқ,
сондықтан түрлі технологиялық әдістердің жиынтығын пайдалануға тура келеді.
МЭМЖ-ны жасақтауда жоғары жетістіктерге жету үшін нанотехнология жетістіктерін
кең қолдану керек.
Айтып кеткендей, МЭМЖ-ге электр энергиясын механикалық энергияға
айналдыратын жұмыс істегіш механизм қосу керек. Қазіргі уақытта мембрана МЭМЖнің механикалық бөлігінің негізгі күштік элементі болып табылады. Мембрананың
бүгілуі электрстатикалық немесе пьезоэлектірлік күшпен реттеледі. Қазіргі таңда
кремний монокристалдарынан мембрана жасау технологиясы дамыды. Мембраналар,
интегралды схемалар сияқты, планарлық технологиямен жасалынады.
14.2 суретте мембраналық күштік элементері бар микросорғыштың жұмыс
сызбасы көрсетілген. Бұндай сорғыш төрт кремний кристалынан жасалады. Әрбір
кристалда планарлық технология бойынша керекті элементтер орындалады және одан
кейін бір-біріне жабыстырылады.
14.1 сурет – Микрожүйелер дамуы
14.2 сурет –Пассивті жапырақшалары
клапаны бар электрстатикалық принципті
басқарылатын диафрагмалық
микросорғыштың конструкциясы
1-ші пластинада мембранада металданған қабатты кремнийден жасалған қарсы
электроды бар. 2-ші пластинаны кремнийдің жұмысшы мембранасы құрайды.
Мембрананың жоғарғы беті металмен қапталған. Бір-бірінен электр оқшауланған қос
пластина электр жетектің блокты құрайды. Олардың арасына электр кернеу келтіргенде
қарсы электрод пен мембрана бір-біріне тартылады. Мембрана жоғарға қарай бүгіледі
және оның астында қысым төмендейді. 3-ші және 4-ші пластиналар клапандық бокты
құрайды. Мембрананың астында қысым азайғанда кіріс клапаны жоғарға бүгіледі де
сұйық мембрананың астындағы құысқа тартылады. Егер де электр жетекке келтірілген
кернеуді ажыратса, серпімді күштер әсерінен мембрана бастапқы күйіне келеді. Соның
астында артық қысым пайда болады. шығыс клапаны төменге бүгіледі және сұйық
шығыс каналына жіберіледі. Осы циклді рет ретімен қайталап, кіріс каналынан шығыс
каналына қажетті сұйық көлемін тартуға болады.
Көпқабатты
көміртекті
нанотүтікшелерде
қабаттардың
қозғалысын
манипулятормен бақылауға болады және олар өте жоғары серпімді қасиеттерге ие.
Сондықтан, наноэлектрмеханикалық жүйелерде қозғалатын элементтері ретінде
нанотүтікшелердің қолдануы мол. Көміртекті нанотүтікшелердің қабаттарының
салыстырмалы қозғалысында негізделген МЭМЖ-де қолдануға бірқатар құрылғылар
ұсынылды: айналыс және сырғанау наномойынтіректер, нанотістегеріштер,
наноауыстырып қосқыш, гигагерцтік диапазондағы осциллятор, броундық наномотор,
нанореле, нано-болт-наногайка жұпы. Құрамында білік (вал) пен төлке (втулка) рөлін
көміртекті нанотүтікшелердің қабаттары атқаратын наномоторлар құрастырылды.
Жақында наноболт пен наногайка жұпы болып табылатын қосқабатты көміртекті
нанотүтікше ұсынылды. Осы жұпты наноактуаторда (МЭМЖ-ін қозғалысқа жіберуге
арналған құрылғы) қолдануға болады. Осы құрылғының жұмыс принципі
зырылдауықты (юла) қозғалуына ұқсайды. Наноактуатордың приниципті схемасы
14.3 суретте көрсетілген. Мұнда наномотордың статоры қозғалыссыз бекітілген. Келесі
қос қабат ротор болып табылады. Қабаттардың салыстырмалы орналасуын бекітуге
болады. Статор мен ротор айналыс наномойынтірек болып табылады. Сыртқы қабат
көмегімен нанотүтікше өсі бойымен келтірілген күш ротордың айналуына жұмсалады.
Қосқабатты көміртекті нанотүтікшенің ішкі бөлігі тербелу мүмкін (14.4 сурет).
Сондықтан сырты қабаты бекітіледі. Ішкі қабат қосымша өңдеуден өтеді. бір шетінде
сутегінің оң иондары адсорбцияланады, екінші шетінде – фтордың теріс иондары.
Біртекті емес электр өріс әсерінен диполь болып табылатын ішкі түтікше сыртқыға
қарағанда қозғалады. Осы тербеліс қозғалысты айналыс қозғалысқа айналдыруға
болады.
14.3 сурет – Наноактуатордың принципті схемалары. Қабаттар шеттеріндегі зарядтар
химиялық адсорбция нәтижесінде алынады және электр өрісі көмегімен наномоторды
басқарады
14.4 сурет – Тербелістердің жарты периодында
гигагерцтік осциллятордың қабаттарының
тізбекті (а-в) күйлері:
а,в – ішкі қабаттың максимальды телескоптық
суыруы, Ван-дер-Ваальс күші ішкі қабатты
сыртқы қабаттың ішіне тартады;
б – ішкі қабат максимальды Vмакс
жылдамдықпен инерциямен максимальды
потенциалдық энергиясы бар күйді өтіп кетеді
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.5. – М., Мир,
1976.
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Дәріс №15
Дәріс тақырыбы: Нанотехнологиялар: замануи жағдайы мен болашағы
Аннотация. Қазіргі заман және болашақ нанотехнология жетістіктерін қолдану
салалары талқыланды.
Кілт
сөздер:
нанокатализаторлар,
нанофильтрлер,
нанокапсулалар,
нанокаптамалар
Жоспары
1. Наноқаптамалар, катализаторлар мен фильтрлер
2. Медицинадағы нанотехнологиялар
3. Парфюмерия мен өндірістегі нанотехнологиялар
4. Спорт тауарлар өндіру кезіндегі қолданылатын нанотехнологиялар
Дәріс тезистері
Болашақта нанотехнология біздің күнделікті (15.1 сурет) өміріміздің барлық
жақтарына әсерін тигізуі мүмкін. Қазіргі таңда нанотехнология көптеген жетістіктерін
электроника саласында көруде. Өлшемнің күрт төмендеуі, ұялы телефон, дербес
компьютер функцияларының көбеюі, ақпарат тасымалдаушы жаңа шағын тасушыларға
көшу – бұның бәрі соңғы жылдардың жетістіктері. Бірақ нанотехнологияны
қолданатын басқа да аумақтар бар, соларға тоқталайық.
Көлік әйнектерінің, спортшы көзілдірігінің булануы бізді алаңдататын
проблемалардың бірі, бұл тіпті апаттарға да алып келуі мүмкін. Негізінде оларды
болдырмау үшін әр түрлі спрейлер қолданылады, бірақ олардың қызмет ету уақыты
шектеулі. Қазіргі таңда полимерлік қабаттардан және кварцтың нанобөлшектерінен
жасалған жабын табылды. Алдағы жылдарда ондай жабындар көліктердің әйнектеріне,
жуынатын бөлмедегі айна беттеріне, цифрлі фотоапараттар мен көзілдіріктерге
қолданылатын болады.
Золь/ гель-технология және қатты нанобөлшектерден жасалған бұндай жабындар
көлік әйнектерінің сызылуларға қарсы тұруын, тіпті әйнек беттерінің мөлдір болуын
қамтамасыз етеді, өйткені нанобөлшектер кішкене болғандықтары сонша, жарықты
шағылыстырмайды (15.2 сурет).
Неміс ғалымдары үйлердің сыртын бояйтын кірді жұқтыртпайтын жаңа сыр
ойлап тапқан. Су өткізбейтін беті нанобөлшектермен жалатылған қағаз ойлап табылды,
бұндай қағазда тіпті су астында да жазуға болады.
15.2 сурет – Автокөлік әйнегіне арналған наноқаптама (сол жақтағы суретте терезенің
сол жағының жартысы өңделген, оң жақтағы суертте – оң жағы)
Катализаторлар мен фильтрлер.
Нанотехнология алтынды өзіне бейтаныс аумақтарда да қолдануға мүмкіндік
береді. Дәл солай алтын нанобөлшектері үлпілдек материал-тасымалдаушыда
көліктерге жақсы катализатор болуы мүмкін. Алтын нанобөлшектері жылу
батареяларына да катализатор бола алады.
Қазір алтын нанобөлшектерін иістенуге қарсы тұратын қасиеттерін зерттеуде.
Тазартқыштардың кішкене жүйелерінде, мәселен көліктерде, жүйеде бактериялар бар
болғандықтан пайда болатын жағымсыз иістерді болдырмауы мүмкін. Жапонияда
нанобөлшектер қазірдің өзінде-ақ әжетханаларда қолданылуда
Медицинадағы нанотехнологиялар.
Енді нанотехнологияның қазіргі медицинадағы орнын қарастырайық. Мәселен,
жараның асқынып кетпеуіне қарсы тұратын, күміс нанобөлшектері бар байлағыштар.
Неміс ғалымдары күміс иондарын төсекке және киімге , экзема және де басқа тері
ауруларында қолданатын заттарға қосқан.
Нанотехнологиялық әдістер дәрілік капсулаларды дайындау кезінде пайдалануға
болады. Ішіндегі дәрілік зат құрылымы өте күрделі болуы мүмкін, олар антеннасы бар
наноконтейнерлейде орналасады, бұл контейнерлерге сенсорлы ақуыздың антиденелері
жалғастырылған. Ауру тудырғыш агенттердің құрылымымен кездескен кезде,
антиденелер негізгі молекулаға белгі жібереді, ал ол болса сол уақытта ашылып,
ішіндегі дәрілік затты шығарады. Бұндай нанотехнологиялар арқылы үлкен көлемдегі
дәрілік затты, басқа ағзалық мүшелерге кесірін тігізбейтіндей етіп, тек жарақаттанған
мүшеге апаруға болады. Бұл әдістерді қатерлі ісіктерге магнитті нанобөлшектерді
жеткізу барысына қолдануға болады.
Азық-түлік өнеркәсібінде және парфюмериядағы нанотехнологиялар
Нанотехнология арқылы өзгертілген косметика эффективтілігімен қатар сәнге
айнала бастады. Теріге қажетті заттары бар нанокапсулалардың өлшемі 50-200нм, олар
эпидермис жасушаларына жақсы енеді. Дәл осылай бұлшықет пен буындар ауырғанда
жағатын майлар да әсер етеді.
Тамақ өнеркәсібінде нанотехнология әр түрлі сенсорлар арқылы тағамның
сапасын және қауіпсіздігін қамтамасыз етеді. Наномембраналар суды түрлі қалдықтар
мен микроағзалардан тазартуға көмектеседі.
Спорт тауарларын әзірлеу кезінде пайдаланылатын нанотехнологиялар
Бұл саладағы жетістіктер негізінде жаңа материалдарды пайдаланумен
ерекшеленеді.
Швецариялық бір компания веложарыстарға арнап,көміртекті нанотрубкалар
негізіндегі материалдан салмағы небары 1кг велосипед жасап шығарды.
Ал жапондық компания титанды клюшкадан 12%-ға қаттырақ және доптың ұшу
ұзақтығы 13м-ге көбірек клюшка шығарған болатын.
Жаңа жылулық материалдан жасалған аяқкиім ұлтарақтарын канадтықтар ойлап
тапты.Суретте жылу изоляцилаушы қасиеті жақсы көрсетілген. Бұнда оттың
температурасы 1000°С.
Киім және аяқ киім. Нанотехнологияны
пайдаланып, қауіпті, зиянды жерлерде киетін
«ақылды киім» шығаруға болады. Ерекше
термореттегіш
киім
ыстықта
денені
салқындатын, ал салқында жылу бөліп
тұрады.
Ағылшын мамандары жақын арада
дүкен сөрелерінде, шыбын-шіркей мен
масаларды
жақындатпайтын,
ментол
нанобөлшектерінің
бөлінуі
арқылы
15.3 сурет – Aspens Pyrogel AR5401
салқындатқыш әсері бар киімдер және
жылу оқшаулағыш материалы
абсорбенттер мен жұпар иісті шұлықтар
(төмендегі оттың температурасы –
пайда болатынын айтты.
1000C)
Гонконг политехника университетінде
өзі тазаратын маталарды дайындауға титан
диоксиді
нанобөлшектерінің
жабынын
қолданады.
Әскери саладағы нанотехнологиялар. Бұл салада да әскери киімдер үлкен рөл
атқарады. Киімге жасақталған датчиктер әскерилердің жағдайын компьютерге және
баскиімдегі проекторға көрсете алады. Кей полимерлі сызықты актюаторлар
компьютер белгісі бойынша киімнің белгіленген аумақтарын қаттырақ не жұмсағырақ
етіп тұрады. Мәселен аяқ сындырып алған кезде.
Киім химиялық және биологиялық шабуылдарды айыра алатын болады.
Әскери салада нанотехнологияны қолданудың тағы бір бағыты «жұмсақ
қорғағыш» жасау (15.4 сурет). Бұндай қорғағыштар бұрынғы қорғағыштар секілді
бірнеше оқтардан кейін жарамсыз болып қалмайды, олар шексіз оқтар жауынын
қабылдай бере алады.
15.4 сурет – Болашақ әскерлердің киімі
15.5 сурет – Болашақ соғыстардың қаруы
Қалындығы бірнеше мм киімнің шыдамды, тығыз болуы үшін, табиғаттағыдай,
өрмекші өрмегіндей етіп жасалған құрылым қолданылуы керек. Қазіргі уақытта
құрылымы жағынан өрмекке ұқсас, бірақ одан жеңіл,майысқақ және қатты, полиуретан
наноталшықтарынан жасалған диаметрі 100 нм жасалған.
Ұсынылатын әдебиеттер тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
4. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
ЗЕРТХАНАЛЫҚ САБАҚТАР (жоспары, әдістемелік нұсқау, ұсынылатын
әдебиет тізімі)
ОҚЫТУШЫНЫҢ ЖЕТЕКШІЛІГІМЕН ОРЫНДАЛАТЫН СТУДЕНТТЕРДІҢ
ӨЗІНДІК ЖҰМЫСЫ
ОСӨЖ №1
Тақырыбы: Кванттық механиканың элементтері
Жоспары:
1. Бөлшектердің корпускулалық-толқындық екіжақтылығы
2. Атом, молекула, нанокристалл, монокристалл.
3. Қатты дененің аумақтық теориясы.
4. Потенциалдық тосқауыл, оның биіктігі. Туннельдік эффект
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.5. – М., Мир,
1976.
2. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.:Наука. 1989.504с.
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учеб.пособие. – М.:
МГИЭТ (ТУ), 1996. – 91 с. ISBN 5-7256-0107-2
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №2
Тақырыбы: Наноматериалдарды алу технологиялары
Жоспары:
1. Наноматериалдардың классификациясы
2. Нанобөлшектер; фуллерендер, нанотүтікшелер мен наноталшықтар
3. Нанокеуекті заттар; нанодисперсиялар
4. Наноқұрылған беттіктер мен ұлпалар; нанокристалдық материалдар
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б.
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
ОСӨЖ №3
Тақырыбы: Нанотехнологияларда өздік ұйымдасуды қолдану
Жоспары:
1. Өздік ұйымдасу
2. Өздігінен ұйымдасқан жүйелерінің қасиеттері
3. Нанотехнологияларда өздік ұйымдасуды қолдану
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
ОСӨЖ №4
Тақырыбы: Оптикалық және электрондық микроскопиясы
Жоспары:
1. Нанотехнологияларда қолданылатын аспаптар
2. Оптикалық миксросокпия
3. Электрондық өтілу микроскопиясы
4. Электрондық сканерлеу микроскопиясы
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
3. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
6. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. –
М.: Техносфера, 2006.
3.
ОСӨЖ №5
Тақырыбы: Сканерлеу зондтық және туннельдік микроскопиясы
Жоспары:
1. Сканерлеу зондтық микрсокопиясы
2. Сканерлеу туннельдік микроскопиясы
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учеб.пособие. – М.:
МГИЭТ (ТУ), 1996. – 91 с. ISBN 5-7256-0107-2
5. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2005.
– 144 с. ISBN 5-94836-034-2
6. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
7. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Зотов А.В., Саранин А.А. Введение в сканирующую туннельную микроскопию. –
Владивосток, 2002.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
ОСӨЖ №6
Тақырыбы: Атомды-күштік микроскопиясы
Жоспары:
1. Өрістік иондық микроскопиясы
2. Атомды-күштік микроскопия
3. Өрістік оптикалық микроскопия әдісі
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2005.
– 144 с. ISBN 5-94836-034-2
3. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
4. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
ОСӨЖ №7
Тақырыбы: Кластерлерді алу әдістері, ғажайып сандар. Кванттық нүктелер
Жоспары:
1. Нанокластерлер және олардың қасиеттерінің өзгешілігі
2. Кластерлерді алу
3. Ғажайып сандар
4. Кванттық нүктелер
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №8
Тақырыбы: Көміртекті наноқұрылымдарды алу
Жоспары:
1. Көміртек негізіндегі құрылымдар
2. Алмаз және графит
3. Фуллерен. Карбин
4. Графен.
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
2. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
3. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. –
М.: Техносфера, 2006.
ОСӨЖ №9
Тақырыбы: Көміртекті наноқұрылымдардың қасиеттері
Жоспары:
1. Фуллереннің ашылуы
2. Фуллереннің номенклатура құрылысы
3. Гиперфуллерендер. Гетерофуллерендер. Фуллероидтар
4. Фуллерендерді алу әдістері
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
6. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
ОСӨЖ №10
Тақырыбы: Аумақтық теория. Фотондық кристалдарды алу
Жоспары:
1. Фотондық кристалдар – оптикалық асқынторлар
2. Бірөлшемді, екіөлшемді және үшөлшемді асқынтордағы дифракция
3. Аумақтық теория
4. Фотондық кристалдарды алу зерттеу
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
3. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №11
Тақырыбы: Табиғаттағы фотондық кристалдар
Жоспары:
1. Фотондық кристалдарды қолдану
2. Табиғи және жасанды фотондық кристалдар
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
2. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
3. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
4. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
5. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №12
Тақырыбы: Бірэлектрондық транзистор. Резонансты-туннельдік диод
Жоспары:
1. Наноэлектроника
2. Нанообъектілер негізіндегі электрондық аспаптар
3. Бірэлектрондық транзистор
4. Резонансты-туннельдік диод
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
1. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
2. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
3. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №13
Тақырыбы: Жарық диодтар. Лазерлер
Жоспары:
1. Нанокомпьютерлер
2. Кванттық оптоэлектроника
3. Жарық диодтары
4. Лазерлер
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
5. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
6. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
4.
ОСӨЖ №14
Тақырыбы: Көміртекті нанотүтікшілер негізіндегі МЭМС күштік элементтері
Жоспары:
1. Микроэлектрмеханикалық жүйелер
2. Микроэлектрмеханикалық жүйелерінің элементтері
3. Мембраналық күштік элементтер
4. МЭМС күштік элементтері
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
7. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
8. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
9. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
ОСӨЖ №15
Тақырыбы: Нанотехнологиялардың қолданулары
Жоспары:
1. Нанотехнологиялар: замануи жағдайы мен болашағы
2. Наноқаптамалар, катализаторлар мен фильтрлер
3. Медицинадағы нанотехнологиялар
4. Парфюмерия мен өндірістегі нанотехнологиялар
5. Спорт тауарлар өндіру кезіндегі қолданылатын нанотехнологиялар
Әдістемелік нұсқау:
ОСӨЖ сабағына жақсы дайындалу үшін Сіз :
10. Берілген тақырып бойынша дәріс және зертханалық сабақтардың материалдарын
оқып, мұқият қарап шығуыңыз қажет.
11. ОСӨЖ сабағына жоспар бойынша берілген сұрақтарды кітапхана, оқу залы,
медиатека әдебиеттерінен қарап шығып, оқып, жүйелеп, әр жазушының ойларын
салыстыру қажет.
12. Берілген әдебиеттерден басқа қосымша ақпарат көздерін тауып (интернет сайттар,
газеттер, журналдар), қолдануға тырысу қажет.
Ұсынылатын әдебиет тізімі
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
5. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
6. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. – М.:
Академия, 2005.
7. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
СТУДЕНТТЕРДІҢ ӨЗІНДІК ЖҰМЫСЫНА АРНАЛҒАН МАТЕРИАЛДАР
Әрбір тақырып бойынша өзін-өзі бақылау материалдары
Студенттің өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар
1. Зерттеу тақырыбының көкейкестілігінің маңызы неде?
2. Зерттеу жұмысының нәтижелі болуының шарттары?
Оқу-әдістемелік әдебиеттер тізімі мен әдістемелік ұсынымдары
Пәнді оқып үйренуде келесі әдебиет көздеріне ерекше мән берілу керек.
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. –
Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 199 с. ISBN 5-7691-0770-7
2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и
наноматериалов. – М.: КомКнига, 2006. – 592 с. (ISBN 5-484-00243-00)
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учеб.пособие. – М.:
МГИЭТ (ТУ), 1996. – 91 с. ISBN 5-7256-0107-2
5. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2005.
– 144 с. ISBN 5-94836-034-2
6. Шик А.Я., Бакуева Л.Г., Мусихин С.Ф., Рыков С.А. Физика низкоразмерных систем.
– СПб.: Наука, 2001. – 160 с. ISBN 5-02-024966-1
7. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе: Оқу құралы. – Ақтөбе,
Литера-А, 2014. – 178 б. ISBN 978-601-80378-2-5
8. Жұбаев А.Қ., Нұртазина А.С. Нанотехнологияға кіріспе пәні бойынша 5B060400 –
физика мамандығының 3 курс студенттеріне зертханалық сабақтарына арналған
әдістемелік нұсқау. – Ақтөбе, 2015. – 60 б.
9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.5. – М., Мир,
1976.
10. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.:Наука. 1989.504с.
11. Уильямс Л., Адамс У. Құпиясыз нанотехнологиялар.: Оқулық. / Ауд. З.А.Мансуров,
М.Нәжіпқызы, Б.Қ.Діністанова. – Алматы, Print-S, 2012. 385 б. ISBN 978-601-289085-3
12. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы: Учебное пособие. –
М.: Академия, 2005.
13. Зотов А.В., Саранин А.А. Введение в сканирующую туннельную микроскопию. –
Владивосток, 2002.
14. Векилова Г.В., Иванов А.Н., Ягодкин Ю.Д. Дифракционные и микроскопические
методы и приборы для анализа наночастиц и наноматериалов. – М.: МИСиС, 2009.
15. Синдо Д., Оикава Т. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. –
М.: Техносфера, 2006.
16. Щелкачев Н.М., Фоминов Я.В. Электрический ток в наноструктурах: кулоновская
блокада и квантовые точечные контакты: Учебно-методическое пособие. – М.:
МФТИ, 2010.
Еңбек сыйымдылығы көрсетілген ағымдағы жұмыс түрлерін (коллоквиумдар,
рефераттар, шығармалар, есеп-сызбалық, зертханалық жұмыс, курс жұмысы
және т.б.) орындауға арналған тапсырмалар
Power Point форматында презентация жасау
Тапсырманы орындауға арналған ұсынымдар:
1. Слайдтар саны 10 кем емес және 20 артық болмау тиіс.
2. Презентация 3 компоненттен құралуы керек: 1) Кіріспе - бұл динамикалық және
тиімді бастау; Презентацияның бұл бөлімінің міндеті – назар аударту, берілетін
ақпаратқа позитивті, оң көзқарас және эмоционалды қабылдауды қалыптастыру; 2)
Презентацияның ақпаратты бөлімінде тапсырманың негізгі сұрақтарының мәнін
ашатын сызбалар, суреттер, қысқаша мәтіндік бөлім болуы керек; 3) Қорытындыда
дәлелді қорытындылар және ұсыныстар болуы тиісті.
3. Презентацияның мақсаты және міндеттері нақты, анық болуы керек.
4. Қарастырылған сұрақ бойынша әдебиеттерге жасалған талдау болуы керек.
5. Презентацияда көрнекілік және мәтін артық мөлшерде болмауы тиіс; Көрнекілік
негізделген болуы керек.
6. Презентацияға видеофайлдарды интеграциялау, біріктіру.
7. Түс үйлесілімдігінің болуы керек – ашық түсті мәтін қара түсті фонда немесе
керісінше қара түсті мәтін ашық түсті фонда.
8. Презентация соңында әдебиеттер тізімі болуы қажет.
9. Белгіленген уақытта тапсыру. Сол уақыттан кеш өткізілсе СӨЖ бағасы 1,0 баллға
төмендетіледі.
Тесттер
Тапсырманы орындауға арналған ұсынымдар:
1. Көлемі – 20-30 тесттік тапсырмалар болуы керек.
2. Студент тақырып материалын оқуы қажет.
3. Бір дұрыс жауабымен көптік таңдау тесттік тапсырмалар (MCQ), бірнеше дұрыс
жауаптарымен тесттік тапсырмалар (MAQ), көп жауаптарымен кеңейтілген тесттік
тапсырмалар жасауы (EMAQ) керек.
4. Тапсырма нақты, анық құрастырлуы тиіс.
5. Қате ақынтама жоқ, дәлілді және нақты дұрыс жауапты (кемінде 2-3 тесттік
тапсырмалар), және түсіну деңгейіне (9-11 тесттік тапсырмалар), қолдануға (2-3
тесттік тапсырмалар).
6. А4форматты ақ қағазда, Times New Roman / KZ Times New Roman шрифтпен, 14
кегльде, біржарымдық интервалда орындалуы тиіс. Сол жақтан - 30 мм, оң жақтан 10 мм, жоғарыдан, төменнен- 20 мм қалтыру қажет.
7. Белгіленген уақытта тапсыру. Сол уақыттан кеш өткізілсе СӨЖ бағасы 1,0 баллға
төмендетіледі.
Глоссарий
Тапсырманы орындауға арналған ұсынымдар:
1. Глоссарий көлемі - 20-25 термин болуы тиіс.
2. Әрбір терминнің мағынасын нақты түсіндіру керек.
3. Таңдалған тақырып бойынша сөздерді түсіндіру мағыздылыңын көрсету керек.
4. Терминдерді жазғанда қатаң алфавиттік тәртіпті сақтау қажет.
5. Терминдердің барлық маңыналарын жазу керек.
6. А4форматты ақ қағазда, Times New Roman / KZ Times New Roman шрифтпен, 14
кегльде, біржарымдық интервалда орындалуы тиіс. Сол жақтан - 30 мм, оң жақтан - 10
мм, жоғарыдан, төменнен- 20 мм қалтыру қажет.
7. Белгіленген уақытта тапсыру. Сол уақыттан кеш өткізілсе СӨЖ бағасы 1,0 баллға
төмендетіледі.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
Рефераттар тақырыптары
Нанокристалдық ұнтақтарды синтез әдістері
Ықшамды нанокристалды материалдарды алу
Оқшауланған нанобөлшектер мен нанокристалдық ұнтақтардың қасиеттері
Ықшамды нанокристалдық материалдардың микроқұрылымы
Ықшамды наноматериалдардың қасиеттеріне түйіршек өлшемдері мен айыру
шекараларына әсері
Реттелмеген жүйелердің наноқұрылымы
Рентген спектроскопия мен дифракциясы
Электрондық спектроскопия
Оптикалық және тербелмелі спектроскопия
Мессбауэрлік спектроскопия
Радиоспектроскопия әдістері
Қатты дененің беттігі
Заттың термодинамикалық аспектілері
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Кластер модельдері
Көміртектік кластерлер
Коллоидты кластерлер мен наноқұрылымдар
Фуллериттер мен көміртекті нанотүтікшелер
Наножүйелер мен наноматериалдардың оптикалық және электрондық қасиеттері
Наноқұрылымдардың магнит қасиеттері
Органикалық қосылыстар мен полимерлер
Пән бойынша рефератты орындауға арналған ұсынымдар:
Мәнжазба жұмысын даярлау сыртқы бетті толтырудан басталады.
Мәнжазба стандарт А4 форматында жазылады. Жұмыс таза, ұқыпты, ешқандай
қысқартусыз, әрбір айтылайын деген жаңа ой жаңа жолдан басталады. Әріптер мен
белгілер жұмыстың барлық бетінде бірдей және талапты сақтап жазылуы керек. Жұмыс
форматтың бір жақ бетінде орындалады; сол жаң – 3 см, оң жаң – 1 см, жоғарғы және
төменгі жағы – 2 см болуы керек.
Мәнжазба беттерін нөмірлеу
Барлық беттер нөмірленеді және ол әр беттің төменгі жағының ортасына соңына
нүкте қойылмай жазылады. Сыртқы бетке нөмір қойылмайды.
Мәнжазба мазмұнындағы, жеке беттегі кестелер мен графиктер оның беттерінің
жалпы санына кіреді.
Мәнжазба бөлімдері немесе тараулары араб санымен азат жолдан соңына нүкте
қойылмай жазылады.
Мәнжазбаның жалпы көлемі: қолжазбамен – 12-15 бет, компыотермен – 10-13 бет
болуы керек.
Өзіндік жұмысты (үй тапсырмалары) орындауға арналған ұсынымдар:
«Нанотехнологияға кіріспе» курсы бойынша өзіндік жұмыс, топпен, ортамен
белсенді қарым-қатынаста, өздерінің теориялық білімдерін, іскерліктері мен
дағдыларын даралық және топтық формада білдіреді. Студенттердің өзіндік
жұмыстары баяндама, реферат, слайд, фотосуреттер сияқты тапсырмаларды жазбаша
немесе ауызша орындалады. Студенттердің өзіндік жұмысын ұйымдастыру және
қабылдау барысында оқытушы төмендегідей талаптарды ескеруі тиіс:
1. Өзіндік жұмысты өткізу барысында, студенттер оқу материалын толық меңгерулері
және түсінуі қажет.
2. Өзіндік жұмысты жазу барысында ақпараттық мәліметтерді, әдебиеттерге шолу
жасауға бағыт-бағдар берілуі тиіс.
3. Өзіндік жұмыста тапсырма жүйелі, логикалық құрылым сипатында болуы тиіс.
4. Тапсырмаларды таңдау барысында студенттердің жекелік және жас ерекшеліктері
ескерілуі қажет.
5. Өзіндік жұмыстың орындалуы мен қабылдануы туралы оқытушы, оларға түсіндіру
арқылы педагогикалық психологиялық қолдау көрсетуі тиіс.
БІЛІМ АЛУШЫЛАРДЫҢ ОҚУ ЖЕТІСТІКТЕРІН БАҚЫЛАУ ЖӘНЕ БАҒАЛАУ
МАТЕРИАЛДАРЫ
Тест тапсырмалары
I
1. Өнім шығару процесінде өңдеу, жасау, материалдың қалпын, қасиеттерін, формасын
өзгерту құралдар мен әдістерінің жиынтығы ... деп аталады
A) нанотехнология B) технология C) нанообъектілер D) кластер E) кристалл
2. 1 мкм неге тең? A) 0,001 см
E) 10000 см
B) 1 см
3. Атомдар мен молекулардың өлшемдері –
A) 0,1-1 м
B) 10–6 -10–5 м
C) 10–8 -10–7 м
100 мкм
C) 0,0001 см
D) 1000 см
D) 10–10 -10–9 м
E) 1-
4. Екінші ғылыми-техникалық революция ... басталды
A) XX ғасырдың 60 ж.ж. микроэлектрониканың дамуымен
B) XX ғасырдың аяғында–XXI ғасырдың басында нанотехнологиялардың дамуымен
C) б.з.б. 8 ғасырында адам темір өңдеудің үйренгеннен
D) XVIII ғасырдың ортасында Д.Уаттың бу қозғалтқышына негізгі патентін алуынан
E) б.з.б. 3000 жылдары адам мыс өңдеудің үйренгеннен
5. Энергияның квантталуы қай жылы ашылған?
A) 1927 ж. B) 1900 ж. C) 1937 ж. D) 1924 ж.
E) 1913 ж.
6. Суретте ... энергетикалық деңгейле-рінің
орналасуы көрсетілген
A) молекуладағы B) нанокристалдағы
C) кристалдағы
D) атомдағы
E) ядродағы
7. Валентті аумақ дегеніміз – бұл ... аумақ
A) энергияның деңгейлері бар
B) валентті аумақтан төмен орналасқан
C) валентті аумақтан жоғары орналасқан
D) валентті электрондардан құрылған энергетикалық
E) энергия деңгейлері
жоқ
8. Суретте ... көрсетілген
A) потенциалдық тосқауыл
B) диэлектрик
C) потенциалдық тепе-теңдік
D) металл
E) кванттық шұңқыр
9. Заттың макроөлшемдерінен наноөлшемдеріне ауысқанда олардың қасиеттері
секірмелі өзгереді. Оның себебі: ...
A) беттік үлесінің өсуі
B) кванттық эффектілері әсерінен электрондар құрылымының өзгеруі
C) зат көлемінің өсуі
D) зат тығыздығының арттуы
E) беттіктің үлесін өсуі және кванттық эффектілері әсерінен электрондық
құрылымының өзгеруі
10. Нанобөлшектерде атомдар саны ... кем болмау керек
A) 106
B) 109
C) 1012
D) 103
E) 10
11. Алтынның коллоидты ерітіндісінің түсі көк болса, онда бөлшектер өлшемі ...
A) 10 нм-ден төмен
B) 40 нм
C) 20 нм
D) 10 нм
E) 40 нм-ден жоғары
12. Фуллереннің атауы ... байланысты
A) тұңғыш пароходты жасаған американдық өнертапқыштың атына
B) ауа мен суда жарық жылдамдығын анықтаған француз физиктың атына
C) сәулет өнерінде ұқсас құрылымды қолдануын ойлап тапқан сәулетшісінің атына
D) Англиядағы каланың атауына
E) орта ғасырлардағы металдан жасалған мөрдің атауына
13. Әртүрлі химиялық элементтерді жұтуға арналған заттар ... деп аталады
A) сүзгілер B) сүзгіштер C) сорбенттер
D) сорбаттар
E) сорбтивтер
14. Қандай материал көрінетін сәулеленудің көзін жасауға қолданылады?
A) кварц
B) әйнек
C) монокристалды кремний
D) кеуекті кремний
E) жоғары тазалы кремний
15. Жартылай өткізгіш материалдардан құрастырылған ұлпалар немесе қабаттар … деп
аталады
A) Ленгмюр-Блоджетт ұлпалары
B) наноқұрылымдырылған ұлпалар
C) беттік ұлпалары
D) валенттік ұлпалары
E) гетероқұрылымдар
16. Нанокристалдық материалдарының механикалық қасиеттері басқа кристалдарға
қарағанда ерекшеленеді. Оның себебі ... болуы.
A) зат құрайтын нанобөлшектерінде айрық шекарасының
B) құрамындағы атомдар саны C) құрамындағы молекулалардың бір-біріне байланысы
D) валенттік аумағының ені
E) балқу температурасы
17. Литографияның екінші сатында ...
A) қатты дене беттігіне фотошаблон орнатылады
B) қатты дене беттігі лазермен өңделеді
C) қатты дененің беттігі сәулеленудің оптикалық көзінің өңдеуіне ұшырайды
D) қатты дене беттігі химиялық заттарымен ерітіледі
E) қатты дене беттігіне фоторезисттің қабаты қондырылады
18. Қатты дене беттігіне фоторезист қабатының қондырылуы литография процесінің …
сатында жасалынады
A) бесінші
B) екінші
C) бірінші D) төртінші E) үшінші
19. Литография арқылы наноөлшемді объектісін салу үшін бірнеше ондық нанометр
толқын ұзындығы бар … сәулеленудің көзін қолдану керек
A) инфрақызыл
B) қызыл
C) ультракүлгін
D) күлгін
E) көк
20. Конденсация әдісімен нанобөлшектерді алу процесінің үшінші сатында ... өтеді
A) атомдарды булануы
B) дененің қыздыруы
C) атомдардың өздігінен кластерлерге жинақталуы
D) атомдардың нанобөлшектерге конденсациясы
E) буландырылған атомдардың төмен температуралар аймағына орын ауыстыруы
21. Қай ғалымның сөздері: «Өздік ұйымдасу дегеніміз – бұл ашық жүйені құрайтын
элементтері жиынтығының келісілген өзара әсерлесу нәтижесінде жүйенің реттелу
процесі»?
A) Р.Фейнман
B) Ж.Алферов
C) Г.Хакен D) Э.Теллер E) Р.Ленгмюр
22. Сырттан зат немесе энергияның үзіліссіз келуіне байланысты белгілі күйде тұратын
жүйелер ... жүйелер деп аталады
A) жабық B) күрделі
C) ашық
D) қарапайым
E) тұйықталған
23. Нанобөлшектердің ұйымдасу түрі мен пайда болатын массивтің құрылымы неге
тәуелді?
A) құрылымға сыртқы әсерінің табиғатына
B) бөлшектер диаметріне
C) бөлшектердің синтез жағдайларына D) жоғарыдағы барлығы дұрыс
E) жоғарыдағы барлығы бұрыс
24. d  0.61 / n өрнегі нені білдіреді?
A) корпускула-толқындық екіжақтылықты B) оптикалық аспаптың тоғыс арақашықтығын
C) қозғалатын бөлшектің толқын ұзындығын D) айырудың дифракциялық шегін
E) дифракция құбылысын
25. Өту электрондық микроскоптың принципті ерекшеліктеріне жатады:
A) үлгінің қалындығы
B) ауытқушы катушка
C) үдетуші жүйе
D) сақиналық детектор
E) магниттік линза
II
1. Технологияның міндеті –
A) техниканың дамуы
B) қоғамның өндірістік емес керегін қанағаттандыру
C) дүние және табиғат туралы білімдерді адамға қажетті және пайдалы өнімге
айналдыру
D) адам алған білімдерді өнімге айналдыру
E) табиғаттағы процестер мен құбылыстарды түсіндіру
2. Биологиялық клетка ... объектілеріне жатады
A) наноскопиялық
B) макроскопиялық
D) микроскопиялық
E) спектроскопиялық
C) наноөлшемді
3. Нанотехнологиялар дегеніміз – бұл ... технологиялары
A) наноматериалдарды жасау
B) нанокеуекті заттарды жасау
C) нанотүтікшелерді өсіру
D) нанометрлік заттарды зерттейтін
E) нанометрлік мөлшерлері бар материалдарды, құрылғыларды және жүйелерді жасау
және қолдану
4. Үшінші ғылыми-техникалық революция ... басталды
A) XX ғасырдың 60 ж.ж. микроэлектрониканың дамуымен
B) XX ғасырдың аяғында–XXI ғасырдың басында нанотехнологиялардың дамуымен
C) б.з.б. 8 ғасырында адам темір өңдеудің үйренгеннен
D) XVIII ғасырдың ортасында Д.Уаттың бу қозғалтқышына негізгі патентін алуынан
E) б.з.б. 3000 жылдары адам мыс өңдеудің үйренгеннен
5. Бөлшектерде толқындық қасиеттері болуы мүмкіндігі туралы болжау жасаған ...
A) М.Планк
D) Г.Герц және Д.Франк
B) Э.Резерфорд
C) Л.де Бройль
E) К.Д.Дэвиссон және Д.Томсон
6. Паули принципы бойынша ...
A) кез келген энергетикалық деңгейде тек қана бір электрон орналасады
B) бір энергетикалық деңгейден екіншіге көшу үшін электрон квант жұту керек
C) бір энергетикалық деңгейден екіншіге көшу үшін электрон квант шығару керек
D) бір энергетикалық деңгейде екіден артық электронның болуы мүмкін емес
E) бір энергетикалық деңгейде бірден артық электронның болуы мүмкін емес
7. Өткізгіштік аумағы дегеніміз – бұл ... аумақ
A) энергияның деңгейлері бар
B) валентті аумақтан төмен орналасқан
C) энергияның деңгейлері жоқ
D) валентті электрондардан құрылған
E) валентті аумақтан жоғары орналасқан
8. Потенциалдық тосқауылдың биіктігі деп ... аталады
A) бөлшектің таушық төбесіндегі потенциалдық U=mgh энергиясы
B) бөлшектің таушық төбесіндегі кинетикалық U=mv2/2 энергиясы
C) бөлшектің таушық табанындағы потенциалдық U=mgh энергиясы
D) бөлшектің таушық табанындағы кинетикалық U=mv2/2 энергиясы
E) бөлшектің таушық төбесіндегі ішкі U энергиясы
9. Зат қасиеттерінде болмайтын жағдайды көрсетіңіз:
A) неғұрлым заттың көлемі үлкен болса, соғұрлым беттіктегі атомдар белсенді болады
B) беттікке жақын аймақта орналасқан атомдардың қасиетерінде материал көлеміндегі
атомдарынан өзгешілігі бар
C) материалдың беттігін заттың ерекше күйі ретінде қарастырылады
D) неғұрлым беттікте орналасқан атомдарының саны көп болса, соғұрлым беттікке
байланысты эффектілер күштірек болады
E) объектілерінің өлшемдері төмендегенде, олардың кванттық қасиеттері күшейеді
10. Өлшемдері ... төмен нанобөлшектер нанокластерлер деп аталады
A) 1 нм-ден
B) 10 нм-ден C) 100 нм-ден
D) 100 мкм-ден E) 10 мкм-ден
11. Қай ғалым ерітінділер түстерінің өзгеруі бөлшектер өлшемдеріне байланысты екені
болжау жасаған?
A) М.В.Ломоносов B) А.Эйнштейн C) М.Фарадей D) Э.Резерфорд E) Г.Кавендиш
12. Фуллерендер арасындағы ең тұрақты болатын фуллерен ... атомнан құрылады
A) 36
B) 40
C) 60
D) 100
E) 540
13. Наноөлшемді кеуектері бар кеуекті заттар ... деп аталады
A) нанобөлшектер B) наноқұрылымды заттар C) нанокристалдық заттар
D) нанокеуекті заттар
E) кеуектелген заттар
14. Кеуекті кремний алу әдісінде қандай қышқылдың ерітінсі қолданылады?
A) күкірт қышқылы B) сіркесу қышқылы
C) тұз қышқылы
D) лимон қышқылы E) фторсутегі қышқылы
15. Гетероқұрылымдар қандай аспаптарды жасауға қолданылады?
A) жарық диодтарында B) конденсаторларда C) көрінетін сәулеленудің көздерінде
D) үдеткіштерде
E) Вильсон камерасында
16. Коллоидты химия әдістерін қолданып, нанокристалды түрде ... алуға болмайды
A) металдарды
B) диэлектриктерді C) жартылай өткізгіштерді
D) магнитті материалдарды
E) гетероқұрылымдарды
17. Литографияның үшінші сатында ...
A) қатты дене беттігіне фоторезисттің қабаты қондырылады
B) қатты дене беттігіне фотошаблон орнатылады
C) қатты дене беттігі лазермен өңделеді
D) қатты дене беттігі химиялық
заттарымен ерітіледі
E) қатты дененің беттігі сәулеленудің оптикалық көзінің өңдеуіне ұшырайды
18. Қатты дене беттігінің сәулеленумен өңделуі литографияның
жасалынады
A) бірінші B) үшінші
C) бесінші D) екінші
E) төртінші
…
сатында
19. Суыту немесе сығылу нәтижесінде заттың газ тәрізді күйден сұйық немесе қатты
күйіне ауысуы ... деп аталады
A) булану
B) сублимация
C) эпитаксия
D) конденсация
E) балқыту
20. Конденсация әдісімен нанобөлшектерді алу процесінің 4-ші сатында ... өтеді
A) атомдарды булануы
B) дененің қыздыруы
C) атомдардың нанобөлшектерге конденсациясы D) атомдардың өздігінен кластерлерге
жинақталуы
E) буландырылған атомдардың төмен температуралар аймағына орын ауыстыруы
21. Қай ғылымның негізгі идеясында өздік ұйымдасу процесінің нәтижесінде ретсіздік
пен былықтан рет пен ұйымдасудың тосынды пайда болатыны айтылған?
A) синерезистың
B) динамиканың
C) диссипаттылықтың
D) синергетиканың
E) синестезияның
22. Алғашқы нанобөлшектердің реттелген топтары (массивтері) қай зат үшін алынды?
A) кадмий селениді B) көміртек
C) күміс
D) алтын
E) графит
23. Берілген жүйеде өздік құрастыру болатын ерекше жағдайларды жасау үшін, қандай
әдістерді қолдануға болады?
A) гравитациялық өрісті B) электр немесе магниттік өрісті C) капиллярлық күштерді
D) жүйелер компоненталарының дымқылданғыштық-дымқыл-дандырмаушылық
әрекеттесулерін
E) жоғарыдағы барлығы
24. d  0.61 / n өрнектегі n шамасы нені білдіреді?
A) электронның бас кванттық санын
B) кез келген натурал санды
C) ортаның магниттік өтімділігін
D) ортаның диэлектрлің өтімділігін
E) ортаның сыну көрсеткішін
25. Кім алғашқы сканерлеу электрондық микроскопты құрастырған?
A) М.Кнолль және Э.Руска
B) М. фон Арденне C) Г.Биннинг және Г.Реррер
D) Р.Биннинг, К.Куэйт және К.Гербер E) Э.Мюллер
Емтихан сұрақтары:
1. Технология және оның міндеті
2. Макроскопиялық және микроскопиялық денелер. Нанометрлік объектілер
3. Нанотехнология. Ғылыми техникалық революциялар
4. Кванттық меаханиканың негізгі заңы. Паули принципі
5. Молекула, кластер, нанокристалл, монокристалл
6. Рұқсат етілген және тыйым салынған аумақтар. Валенттік аумақ және өткізгіштік аумағы
7. Металдар, диэлектриктер, жартылай өткізгіштер
8. Потенциалдық тосқауыл, оның биіктігі. Туннельдеу құбылысы
9. Наноматериалдар. Нанобөлшектер. Нанокластерлер
10. Фуллерендер мен нанотүтікшелер
11. Нанокеуекті заттар. Нанодисперсиялар.
12. Гетероқұрылымдар. Нанокристалдық материалдар
13. Наноматериалдарды алу технологиялары. Литография. Эпитаксия
14. Өздік ұйымдасу. Өздігінен ұйымдасқан жүйелерінің қасиеттері
15. Нанотехнологияда қздік ұйымдасу процестерін қолдану
16. Нанотехнологияларының аспаптары
17. Электрондық өтілу және электрондық сканерлеу микроскопиясы
18. Өрістік иондық микроскопиясы
19. Сканерлеу зонд және сканерлеу туннельдік микроскопиясы
20. Атомды-күштік микроскопиясы
21. Жақын өрістік оптикалық микроскопиясы
22. Зондтық нанолитография
23. Кластерлер және олардың қасиеттерінің өзгешілігі. Кластерлерді алу әдістері, ғажайып
сандар
24. Кванттық нүктелер. Өздік ұйымдасу процестерінің ролі
25. Кластерлердің қасиеттерін модификациялау әдістері
26. Кластерлерді қолдану аймақтары
27. Көміртек негізіндегі құрылымдар. Көміртекті наноқұрылымдарды алу
28. Көміртекті наноқұрылымдардың механикалық, химиялық және электрлік қасиеттері
29. Көміртекті наноқұрылымдарды қолдану
30. Асқынторлар. Бірөлшемді, екіөлшемді және үшөлшемді асқынтордағы дифракция.
Аумақтық теория
31. Оптоэлектроника
32. Фотондық кристалдарды алу
33. Фотондық кристалдарды қолдану
34. Табиғаттағы фотондық кристалдар
35. Нанообъектілер негізіндегі электрондық аспаптар: бірэлектрондық транзистор
36. Нанообъектілер негізіндегі электрондық аспаптар: резонансты-туннельдік диод
37. Нанокомпьютерлер
38. Кванттық оптоэлектроника
39. Жарық диодтары
40. Лазерлер
41. Микроэлектрмеханикалық жұйелер туралы түсінік
42. Мембраналық күштік элементтер
43. Көміртекті нанотүтікшілер негізіндегі МЭМС күштік элементтері
44. Наноқаптамалар
45. Катализаторлар мен фильтрлер
46. Медицинадағы нанотехнологиялар
47. Парфюмерия мен өндірістегі нанотехнологиялар
48. Спорт тауарлар өндіру кезіндегі қолданылатын нанотехнологиялар
49. Киім мен аяқ-киім
50. Әскери істегі нанотехнологиялар