ChemNet
 
 Химический факультет МГУ

Книги сотрудников факультета

Елисеев А. А., Лукашин А. В.<br> Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова.

Елисеев А. А., Лукашин А. В.
Функциональные наноматериалы


Под ред. Ю.Д. Третьякова.

М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с.
ISBN 978-5-9221-1120-1.

В настоящей книге рассматриваются важнейшие особенности функциональных наноматериалов, включая их структуру, физические свойства, методы синтеза и исследования, описываются примеры использования наноматериалов для создания наноэлектромеханических систем, разнообразных устройств нано- и молекулярной электроники, а также магнитных носителей информации.
Книга является одним из немногих учебных пособий, предназначенных для фундаментальной междисциплинарной подготовки в области нанотехнологии и наноматериалов, включая студентов, аспирантов и научных сотрудников классических, технических и технологических университетов, вовлеченных в решение наиболее актуальных нанотехнологических проблем.
Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве пособия для студентов старших курсов, обучающихся по специальности 020101 (011000) - Химия.

Оглавление

Предисловие 8
Введение 10
Глава 1. Нанокластеры 26
1.1. Классическая теория зародышеобразования. 28
1.2. Методы синтеза кластеров 31
1.3. Структура и свойства кластеров 33
1.3.1. Магические числа 35
1.3.2. Теоретическая модель кластера 37
Глава 2. Наноструктуры 44
2.1. Классификация наноструктур 44
2.2. Нульмерные наноструктуры 45
2.3. Одномерные наноструктуры 45
2.3.1. Материалы одномерных наноструктур 47
2.3.2. Формирование одномерных наноструктур 47
2.4. Тубулярные наноструктуры 50
2.4.1. Углеродные нанотрубки 50
2.4.1.1. История открытия углеродных нанотрубок 50
2.4.1.2. Структура углеродных нанотрубок 52
2.4.1.3. Многостенные нанотрубки 56
2.4.1.4. Механизмы роста нанотрубок 57
2.4.1.5. Синтез углеродных нанотрубок 61
2.4.1.6. Разделение ОСНТ 66
2.4.1.7. Физические свойства углеродных нанотрубок 66
2.4.1.8. Интеркалированные нанотрубки 70
2.4.2.   Неорганические тубулярные структуры 72
2.4.2.1. Подходы к синтезу неорганических нанотрубок 73
2.4.2.2. Синтез неорганических нанотрубок 74
2.5. Двумерные наноструктуры 75
2.5.1. Осаждение пленок из газовой фазы 76
2.5.1.1. Кинетика и термодинамика процессов роста пленок 77
2.5.1.2. Механизмы роста пленок 79
2.5.2. Физические методы осаждения пленок 81
2.5.2.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) 81
2.5.2.2. Импульсное лазерное осаждение (ИЛО) 83
2.5.2.3. Распылительное осаждение 84
2.5.3. Методы химического осаждения пленок 85
2.5.3.1. Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) 85
2.5.3.2. Послойное осаждение пленок 89
2.5.3.3. Химическое осаждение из растворов 89
2.5.3.4. Пленки Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) 91
2.6. Трехмерные наноструктуры 93
Глава 3. Свойства веществ в нанокристаллическом состоянии 96
3.1. Оптические и электронные свойства наносистем 96
3.1.1. Оптические свойства наночастиц металлов. Плазмонный резона» 97
3.1.2. Оптические свойства полупроводниковых наночастиц. Квантоворазмерный эффект 103
3.1.3. Зонная структура 109
3.1.4. Поверхность нанокристаллов: дефекты координации и барьерное ограничение 111
3.1.4.1. Сокращение длины связей в приповерхностном слое 111
3.1.4.2. Поверхностный потенциальный барьер ИЗ
3.1.5. Сокращение поверхностных связей, энергия связывания и отношение поверхности к объему 113
3.1.6. Зависимость зонной структуры от размера наночастиц. 114
3.2. Фотонные кристаллы 117
3.2.1. Размерность фотонных кристаллов 119
3.2.1.1. Фотонные запрещенные зоны 119
3.2.2. Основы теории фотонных кристаллов: одномерный случай 121
3.2.3. Методы формирования фотонных кристаллов 122
3.2.4. Опалы как шаблон для создания фотонных кристаллов 124
3.2.4.1. Природные опалы 125
3.2.5. Синтетические опалы 126
3.2.6. Кристаллическая структура синтетических опалов 126
3.2.7. Фотонные кристаллы на основе синтетических опалов 128
3.2.8. Материалы на основе фотонных кристаллов. Области применения. 131
3.3. Магнитные свойства наносистем 133
3.3.1. Доменная структура ферромагнитных материалов 135
3.3.2. Суперпарамагнетизм 138
3.3.3. Энергия магнитной анизотропии 141
3.3.3.1. Магнитокристаллическая анизотропия 141
3.3.4. Анизотропия формы 143
3.3.5. Анизотропия механического напряжения 147
3.3.6. Обменная анизотропия 148
3.3.7. Перемагничивание однодоменных частиц 149
3.3.8. Когерентное вращение магнитных моментов 151
3.3.9." Свертка" магнитных моментов с образованием вихревого поля 153
3.3.10. Магнитостатические взаимодействия нанонитей 155
3.3.11. Магнитные наноматериалы 155
3.4. Механические свойства наносистем 157
3.4.1. Закон Холла-Петча 158
3.4.2. Структура межзеренных границ 160
3.4.3. Дефекты в наноструктурированных материалах 160
3.4.4. Влияние границ раздела на механические свойства нанокристаллических наноматериалов 164
3.4.5. Упругие свойства. Высокотемпературная ползучесть 164
3.4.6. Моделирование зерен и межзеренных границ при нагружении 166
3.4.7. Нанокомпозиты. Армирование. Адгезионная прочность 167
3.4.8. Механические свойства углеродных нанотрубок 168
Глава 4. Методы получения наноматериалов 172
4.1. Классификация методов синтеза наноматериалов 173
4.1.1. Физические методы синтеза 176
4.1.1.1. Газофазный синтез 176
4.1.1.2. Механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв 178
4.1.2. Химические методы синтеза 179
4.1.2.1. Золь-гель метод 179
4.1.2.2. Гидротермальный и сольвотермальный синтез 181
4.1.2.3. Коллоидные нанореакторы 183
4.2. Методы разделения наночастиц по размеру 203
4.3. Процессы самосборки в наносистемах 206
4.3.1. Сверхкластеры 218
4.3.2. Движущие силы организации наносистем 219
4.3.3. Консервативная самоорганизация 222
4.3.4. Диссипативная самоорганизация 224
4.3.4.1. Принцип Кюри 228
4.3.4.2. Соотношения взаимности Онсагера 228
4.3.4.3. Теорема Глансдорфа-Пригожина 229
4.4. Синтез наночастиц в аморфных матрицах 239
4.5. Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах 240
4.5.1. Наночастицы в нульмерных нанореакторах 240
4.5.1.1. Цеолиты 240
4.5.2. Наночастицы в одномерных нанореакторах 245
4.5.2.1. Мезопористые молекулярные сита 245
4.5.2.2.   Пористый оксид алюминия 258
4.5.3. Наночастицы в двумерных нанореакторах 268
4.5.3.1. Слоистые двойные гидроксиды 268
4.6. Нанолитография 274
4.6.1. Классификация методов литографии 276
4.6.2. Оптическая литография 276
4.6.2.1. Схема контроля освещенности, проекционная литография. 277
4.6.2.2. Маски микро- и нанолитографии 278
4.6.2.3. Внеосевая литография 280
4.6.2.4. Оптические схемы. Материалы оптических систем 280
4.6.2.5. Материалы резистов 282
4.6.3. Электронно-лучевая литография (ЭЛЛ) 283
4.6.3.1. SCALPEL 284
4.6.4. Ионно-лучевая литография (ИЛЛ) 285
4.6.5. Безмасочная литография (direct writing) 286
4.6.5.1. Воздействие сфокусированным пучком заряженных частиц FIB-литография 286
4.6.5.2. Механическое воздействие зондом СЗМ 288
4.6.5.3. Нанооксидирование 288
4.6.6. Технологии нанопечати 289
4.6.6.1. Метод горячего тиснения (hot embossing technique) 290
4.6.6.2. Использование полимеризации резиста 290
Глава 5. Методы исследования веществ в нанокристаллическом состоянии 296
5.1. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) 296
5.1.1. Сканирующая туннельная микроскопия 298
5.1.2. Атомно-силовая микроскопия 301
5.2. Автоионная микроскопия (АИМ) 307
5.3. Методы электронной микроскопии 308
5.3.1. Формирование изображения 311
5.3.2. Возможности электронной микроскопии 314
5.4. Спектроскопические методы 318
5.4.1. Радиоспектроскопия 318
5.4.1.1. Микроволновая спектроскопия 318
5.4.1.2.Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) 319
5.4.1.3. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) 321
5.4.2. ИК и КР-спектроскопия 324
5.4.3. Рентгеновская и фотоэлектронная спектроскопия 329
5.4.3.1. Рентгеновская спектроскопия поглощения (EXAFS, XANES) 330
5.4.3.2.   Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС). 331
5.4.3.3.   Рентгенофлуоресцентная спектроскопия 333
5.4.4. Мессбауэровская спектроскопия 333
5.5. Дифракционные методы исследования 334
5.5.1. Основы теории дифракции 334
5.5.2. Дифракция на кристаллических решетках 337
5.5.3. Дифракция в аморфных веществах 338
5.5.4. Размерные эффекты в дифракционных картинах наноструктур 339
5.5.5. Характеризация функциональных свойств наносистем дифракционными методами 343
Глава 6. Применение функциональных наноматериалов 353
6.1. Наномеханизмы и наноустройства. Микро- и наноэлектромеханические системы 355
6.1.1. Микро- и нанотрибология 358
6.1.2. Наномеханика и износ наномеханизмов 361
6.1.3. Преобразование энергии 363
6.1.4. Электростатические актюаторы 364
6.1.5. Магнитные актюаторы 366
6.1.6. Пьезоэлектрические актюаторы 367
6.1.7. Тепловые актюаторы 370
6.1.8. Гидравлические актюаторы 371
6.1.9. Сенсорные НЭМС 372
6.1.10. Технологии производства МЭМС и НЭМС 374
6.1 11. Материалы для МЭМС и НЭМС 375
6.1.12. Молекулярные актюаторы 375
6.1.12.1. Молекулярные моторы 376
6.1.12.2. Миозин, кинезин и диенин 379
6.1.12.3. Искусственно создаваемые молекулярные актюаторы 381
6.1.12.4. Интеграция биологических молекулярных агрегатов в устройства 381
6.1.12.5. Ротаксаны и катенаны 381
6.1.12.6. Нанолифт 385
6.1.12.7. Устройства на основе алкенов 386
6.2. Наноэлектроника 387
6.2.1. Современные транзисторы 389
6.2.1.1. Проявление квантовых эффектов 390
6.2.1.2. Проблема плотности энергии и теплоотвода 390
6.2.1.3. Дефекты и ошибки 390
6.2.1.4. Транзисторы на основе углеродных нанотрубок 391
6.2.2. Квантовые компьютеры 393
6.2.2.1. Принципы квантового компьютера (КК). 394
6.2.2.2. Алгоритмы квантового компьютера 394
6.2.2.3. Материалы для квантового компьютера 395
6.2.2.4. Перспективы развития квантовых компьютеров 397
6.3. Молекулярная электроника 398
6.3.1. Исследование электрических свойств структур Не SAM/SAM Hg 398
6.3.2. Определение напряжения пробоя самособирающихся монослоев из ароматических и алифатических сульфонатов 399
6.3.3. Использование слабой связи для измерения электрических свойств молекул 399
6.3.4. Использование шаблона из Si3N4 для измерения электрических свойств отдельных молекул 400
6.3.5. Измерение электронных характеристик молекул 401
6.3.6. Элементы молекулярной электроники 403
6.4. Магнитные носители информации 411
6.5. Материалы для бионанотехнологии 421
6.5.1. Конструкционные наноматериалы для медицины 422
6.5.2. Нанофармакология и нанолекарства 426
6.5.3. Синтез, биоконъюгация и биосовместимость наночастиц 428
6.5.4. Магнитные наноматериалы в медицине 429
6.5.5. Магнито-жидкостная гипертермия 432
6.5.6. Нанокапсулы 435
6.5.7. Нанолекарства и наномедицина 437
6.5.8. Наносистемы для диагностики заболеваний 437
6.5.9. Наноинструменты для микробиологии и медицины 441
6.5.10. Токсичность веществ в нанодисперсном состоянии 445

Предисловие

Основной целью научных разработок последнего десятилетия являются так называемые функциональные и полифункциональные материалы, открывающие новые возможности для развития информационных технологий, энергетики, медицины, химической и металлургической промышленности, аэрокосмических и транспортных систем. Но и это далеко не все, если принять во внимание, что безусловно научным и государственным приоритетом нашей страны в последнее время стало развитие нанотехнологий. Ключевым элементом последних являются наноматериалы - материалы, функциональные свойства которых определяются наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм.
При разработке, создании и практическом применении наноматериалов необходим междисциплинарный подход, который исключительно сложно реализовать, так как в каждом конкретном случае он требует огромных усилий от разработчиков: студентов, аспирантов и молодых исследователей, которые должны обладать одновременно фундаментальными знаниями в области химии, физики, механики, а нередко и биологии.
Настоящее учебное пособие создано на основе одноименного курса лекций, читаемого авторами в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова, и предполагает знакомство слушателей с основами математики, физики, химии и механики в объеме по меньшей мере первых двух курсов естественных факультетов классических, технических и технологических университетов. Пособие предназначено для ознакомления читателей с основами методов формирования, физическими свойствами и практическим применением функциональных наноматериалов и расчитано на самостоятельную работу с оригиналами публикаций по рассматриваемым тематикам.
Пособие состоит из шести глав, которым предшествует введение.
В первой главе рассмотрены свойства и синтез нанокластеров как самых простейших представителей наномира. Основное внимание уделено модели зародышеобразования, описывающей формирование и рост нанокластеров, методам их синтеза и сепарации, уникальным физико-химическим свойствам кластеров, связанным с избыточной поверхностной энергией.
Вторая глава книги посвящена классификации наноструктур как основных структурных элементов любых наноматериалов. Рассмотрены одно-, дву- и трехмерные наноструктуры. Особое внимание уделено низкоразмерным системам, включая квантовые точки, нанотрубки (в том числе одностенные и многостенные углеродные нанотрубки), тонкие пленки и гетероструктуры.
В третьей главе обсуждаются физические (электронные, оптические, магнитные и механические) свойства веществ в нанокристаллическом состоянии. Здесь же рассмотрены основные отличия наноматериалов от объемных материалов, а также зависимость их свойств от размера и размерности наноструктур.
Направленный синтез наноматериалов с заданными свойствами требует использования специальных физико-химических подходов, которые достаточно подробно изложены в четвертой главе. Рассмотрены принципы формирования наноструктур "сверху-вниз" (дисперигирование объемных материалов) и "снизу-вверх" (прямой синтез нанотруктур из атомов и молекул). Большое внимание уделено синтезу сложных наноструктур, процессам самоорганизации и самосборки, получению нанокомпозитов и высокоорганизованных наноструктур, подробно описаны приемы синтеза в нанореакторах.
В пятой главе книги обсуждаются основные методы исследования наноструктур, включая электронную, атомно-силовую и туннельную микроскопию, дифракционные, спектроскопические и магнитные методы исследования функциональных свойств.
Наконец, последняя - шестая глава посвящена использованию наноматериалов в реальных устройствах (наноэлектромеханические системы, нано- и молекулярная электроника), основанных на уникальных свойствах вещества в нанокристаллическом состоянии. Описаны подходы к конструированию наноэлектромеханических систем, устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи, примеры использования наноматериалов в наноэлектронике, бионанотехнологии, наномедицине, нанотрибологии и катализе.
Авторы выражают благодарность к.х.н. Вячеславову А.С. за неоценимую помощь в сборе материалов, а также к.х.н. Напольскому К.С., к.х.н. Чернышевой М.В., Журавлевой Н.Г. и Колесник И.В. за помощь в подготовке материалов книги. Кроме того, авторы выражают благодарность коллективу кафедры неорганической химии химического факультета и сотрудникам факультета наук о материалах МГУ им.М.В.Ломоносова за предоставленные материалы их научных разработок. Авторы признательны редактору книги Артоболевской Е.С. за внимательное отношение и огромную работу по подготовке рукописи к изданию.


Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
 Написать письмо редактору