Конспект лекций по предмету "Физические явления"

Узнать цену работы по вашей теме


Физическая электроника и нанофизика, нанотехнологии и наноматериалы, общие замечания

|



Нано-электроника появилась в процессе естественной микроми­ниатюризации элементной базы современных электронных устройств и систем, где каждый шаг дается с большим трудом и часто диктует необхо­димость привлечения новых (иногда принципи­ально) физических путей и методов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет харак­терный размер <100 нм, хотя бы в одном измере­нии (направлении).
Физическая электроника в самом общем смысле этого слова представляет собой раздел физики, который занимается изучением явлений, связанных с движением заряженных частиц и, в первую очередь, электронов (отсюда и само на­звание «электроника») в различных материальных средах, включая физический вакуум.
Это, прежде всего, вакуумная электроника, изучающая процес­сы, которые происходят при движении заряжен­ных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого движения.
Сюда относятся вся элек­тронная оптика, электронная и ионная микроско­пия, а также физика явлений, происходящих в различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и приборов, применяющихся для генерации или усиления электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона. По­следнее направление в настоящее время оформи­лось в самостоятельное - радиофизику СВЧ (или микроволн).
Во-вторых, это явления испускания электронов и атомарных частиц, чаще всего ио­нов, различными средами, в основном твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел физической электроники, называемый эмиссионной электроникой.
С появлением полу­проводников интенсивно начала развиваться по­лупроводниковая электроника и на ее основе - электроника твердого тела. В дальнейшем полу­проводниковая электроника также стала разви­ваться самостоятельно и является в настоящее время междисциплинарным разделом физики. К области же собственно физической электроники продолжают относиться такие разделы твердо­тельной электроники, как физика поверхности, тонких пленок и пленочных структур~ элемент­ной базы современной микроэлектроники.
Исторически одним из основных разделов физической электроники являлась так называемая газовая электроника, изучавшая процессы в раз­личных газоразрядных радиотехнических устрой­ствах, таких как тиратроны, разрядники, стабили­троны и т.п. На основе изучения физики газового разряда оформился и в дальнейшем получил са­мостоятельное развитие такой крупный раздел физики, как физика плазмы. Тем не менее, наука о плазменных средах является важнейшей состав­ной частью физической электроники, поскольку она изучает большой круг проблем, связанных с поведением газа заряженных частиц - электронов, ионов и дырок, атомов и молекул, в том числе, находящихся в возбужденном состоянии, а также квантов излучения (э.-м. поля) и нейтральных частиц в самых разных материальных средах: собственно плазме как газовой среде и газе носителей заряда (электронов и дырок) в твердых те­лах, которые при этом принято называть плазмо-подобными (или плазменными) средами. С разви­тием лазерной физики из этой науки выделился крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа возбужденных атомов, молекул и квантов излучения, получивший название кванто­вой электроники.
Ваку­ум, газы и конденсированные среды мо­гут контактировать друг с другом. Для конденси­рованных сред при этом вводят понятие границы раздела этих сред или понятие поверхности. Тра­диционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного изменения свойств ве­щества. Реально вблизи собственно геометриче­ской границы материальной среды существует некоторая область конечной толщины, в которой ее свойства существенно отличаются от свойств вещества в объеме.
Действительно, в объеме лю­бая частица взаимодействует только с частицами этой среды, а вблизи границы, с одной стороны - с частицами этой же среды, а с другой - с части­цами той среды, с которой она граничит. Если вторая среда - вакуум, на границе твердого тела должны существовать разорванные атомарные связи. При этом толщина погранично­го слоя определяется тем расстоянием от поверх­ности, начиная с которого частицы среды пере­стают «ощущать» влияние частиц за ее границей. Толщина такого слоя, по крайней мере, порядка дебаевского радиуса rD, который для плазмы твердого тела имеет порядок величины от 1 до 100 нм. Следует также учесть, что в этот слой проникают частицы среды - соседки за счет взаи­модиффузии нейтральных атомов, ионов, элек­тронов или дырок или бомбардировки другими частицами (контакт с газом или вакуумом). При учете всех этих процессов характерная толщина такого слоя в направлении нормали к границе может достигать размеров порядка нескольких сотен нанометров.
Итак, поверхность твердых тел - это естественный нанообъект, в котором проявляются новые качественные свойства. Эти свойства можно направленно изменять путем ис­пользования плазменных, лучевых (потоки частиц) и радиационных (поток квантов излучения) нано-технологий направленного изменения свойств по­верхности или, другими словами, модификации свойств поверхности.
Поскольку в конденсированных средах пове­дение образующих их частиц - атомов, ионов, электронов и дырок - подчиняется законам кван­товой механики, т.е. описывается их волновыми функциями, в них проявляются новые свойства, обусловленные квантоворазмерными эффектами - зависимостью свойств наносистемы от соотно­шения ее характерных размеров и характерных размеров области корреляции различных физиче­ских взаимодействий и явлений, происходящих в системе частиц. В связи с этим поверхность можно считать, пожалуй, самой распространенной естест­венной наносистемой, причем пленочного типа.
Следующим шагом модификации свойств по­верхности является осаждение на ее поверхности тонких пленок либо слоистых пленочных структур, толщина которых может быть от микрон до долей микрона, т.е. может удовлетворять условию d < 100 нм. Такие пленочные структуры служат осно­вой для построения элементной базы современной микро-, а в пределе d < 100 нм, наноэлектроники.
Это двумерные наноструктуры, причем ин­теграция элементов происходит в их плоскости. Тонкие пленки могут выполнять и функциональ­ные задачи упрочнения поверхности, изменения ее смачиваемости, коэффициента трения и др. Новое качество может быть достигнуто путем осаждения на поверхность твердого тела атомов тех элемен­тов, которые могут образовывать различные веще­ства, отличающиеся по своим структуре и свойст­вам, т.е. различные аллотропные модификации (ха­рактерный пример - углерод, который может суще­ствовать в виде четырех аллотропных форм, отли­чающихся типом гибридизации: sp3 и sp2- этим ти­пам соответствуют устойчивые модификации алмаз и графит, а также sp1 и sp°, которым отвечают метастабильные модификации линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) углерода). При этом метод управляемого осажде­ния атомов углерода в настоящее время является практически единственным методом синтеза по­следних двух форм углерода.
Экспериментальная установка получения углеродных пленок представляет собой вакуумную систему, обеспечивающую импульс­ное осаждение углерода из плазменных сгустков, формируемых вакуумной дугой, с плотностью ионов 1013...1014 см3 и степенью ионизации 95%. Частота импульсов варьируется в пределах 1...30 Гц, длительность импульса 100 мкс.
Ионный пучок формируется ионным источником низкого давле­ния. Энергия ионов Аг+, облучающих поверх­ность растущей пленки, варьируется в пределах 0-300эВ и зависит как от напряжения экстракции, так и от параметров углеродной плазмы. В ниже­описанных экспериментах эта энергия была равна 150эВ. В качестве материалов подложки исполь­зовались NaCl (для электронномикроскопических исследований), Si (для электронной спектроско­пии), а также сталь, полимеры, керамика и т.д. Рабочее давление в камере было 104 Па.
Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответствующего размера (наночастицы), а также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Многообразие возможных видов наночастиц весьма велико.
Од­ним из основных физических признаков принад­лежности к наномиру является равенство или превышение поверхностной энергии наночастицы по сравнению с ее объемной энергией. Поэтому отличительным свойством наночастиц является их активность за счет наличия на их поверхности оборванных связей. В общем случае обычно это трехмер­ные объекты (3D).
Естественно, что право на существование имеют одномерные (ID) и нульмерные системы (0D). К первым относят так называемые квантовые нити (квантовые провода), которые формируются в условия сильной анизотропии свойств вещества сильным проявлением квантово-размерных эффек­тов и с диаметром < 100 нм (важный пример кван­товой нити - полупроводниковые нанотрубки). На­конец, характерным примером нульмерной систе­мы или квантовой точки может служить экситон.
Наносистемы могут либо организоваться в природе естественным путем - поверхность, нанокластеры карбина, нанотрубки и др. - либо модифицируются путем управляемого выращивания (тонкие пленки и пленочные наност­руктуры) с помощью осаждения на поверхность частиц нужного свойства. Такие частицы могут осаждаться из плазмы или других источников пуч­ков атомов, ионов, молекул, причем важным эле­ментом такой технологии является предваритель­ная подготовка поверхности таким образом, чтобы она стимулировала рост необходи­мой структуры осаждаемой пленки. Это, например, управление процессом эпитаксиалъного роста, при котором межатомные расстояния выращивае­мой пленки повторяют геометрию создаваемых на поверхности центров зародышеобразования. Для реализации такого процесса нужно детально знать физику взаимодействия ионов и электронов с по­верхностью твердого тела.
Описанный процесс ионно-стимулированного эпитаксиального роста пленок на командной поверхности является важным примером само­сборки, которая является неотъемлемым свойст­вом нанотехнологий.
Проводится обширный цикл иссле­дований процессов взаимодействия пучков заря­женных частиц - электронов и ионов в широком диапазоне их энергий - с поверхностью твердых тел:
· распыление материала поверхности,
· вто­ричная ионно-ионная,
· ионно-электронная,
· элек­трон-ионная эмиссия,
· внедрение частиц пучка в поверхность,
· напыление частиц пучка на поверх­ность,
· изменение фазового состава поверхности,
· активация поверхности и т.п.
Все эти процессы реа­лизуются также при контакте газоразрядной плазмы с поверхностью, и так или иначе исполь­зуются в различных технологических циклах, та­ких, как травление, имплантация, интеркалирование, осаждение пленочных структур, литография и других технологических циклах современной микро-, а с переходом к характерным размерам < 100 нм, наноэлектроники.
Установлено, что важную роль играют неуп­ругие процессы при взаимодействии ионов ма­лых энергий с поверхностью твердых тел. Выяв­лен основной механизм такого взаимодействия, а именно, - резонансная перезарядка. Этот процесс лежит в основе большинства нанотехнологий мо­дификации свойств поверхности.
Среди про­цессов, сопровождаемых (вызываемых) на поверх­ности твердых тел пучками заряженных частиц: электронов и, в первую очередь, ионов для пони­мания магистрального направления развития работ являются процессы электронной и ионной стимуляции направленного выращивания (напыление, осаждение) на ней пленок различных углеродных метастабильных фаз и, в первую оче­редь, двумерно-упорядоченного линейно-цепо­чечного углерода (ДУ ЛЦУ).

|


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный конспект лекций Вы можете использовать для создания шпаргалок и подготовки к экзаменам.

Доработать Узнать цену работы по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем конспект самостоятельно:
! Как написать конспект Как правильно подойти к написанию чтобы быстро и информативно все зафиксировать.

Другие популярные конспекты:

Конспект Основные проблемы и этапы развития средневековой философии
Конспект Проблема познаваемости мира. Гносеологический оптимизм, скептицизм, агностицизм. Взаимосвязь субъекта и объекта познания
Конспект Понятие финансовой устойчивости организации
Конспект Внутренняя политика первых Романовых.
Конспект Понятие мировоззрения, его уровни и структура. Исторические типы мировоззрения
Конспект ПРОБЛЕМЫ КВАЛИФИКАЦИИ ПРЕСТУПЛЕНИЙ
Конспект Синтагматические, парадигматические и иерархические отношения в языке
Конспект Тема 1.2. Плоская система сходящихся сил. Определение равнодействующей геометрическим способом 13
Конспект Происхождение человека. Основные концепции антропосоциогенеза. Антропогенез и культурогенез.
Конспект Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации