Атомная и молекулярная физика

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Данная работа посвящена общим вопросам о современных материалах, созданных к настоящему времени или планируемым к созданию в недалеком будущем. Известно, что глобальная структура Вселенной, ее устройство определяются физическими процессами, протекающими в мире элементарных частиц. В нашей обыденной жизни физико-химические, технические характеристики материалов и изделий на их основе определяются процессами на атомарном и молекулярном уровнях. В атомной и молекулярной физике сосредоточены все перспективы человечества к новым прыжкам в области материаловедения, энергетики, информационных систем. Поэтому нет ничего удивительного в том, что внимание ученых любого профиля приковано к микромиру, где открываются новые и безграничные возможности.

Только лишь открытия последних 20 лет показали уже, насколько неожиданно могут себя проявить довольно простые законы Природы микромира, открытые во второй половине XIX и в начале XX века. Появился новый термин «наноматериалы», означающее, что новые материалы имеют размеры порядка одного нанометра - 10^-9 м и менее. Многие наноматериалы имеют сильно различающиеся свойства, по сравнению с их макроскопическими аналогами, состоящими из тех же молекул или атомов.

Теорий, полностью объясняющих столь удивительное порой «устройство» и процесс образования наноматериалов, еще не существуют. Но первые попытки теоретиков и опытные данные экспериментаторов показывают, что они образуются в сильно неравновесных условиях (большие градиенты температуры, давления и т.д., большие скорости фазовых переходов) при обязательном участии тепловых флуктуации.

металл нанотрубка физический магнитный

1. Фуллерены и нанотрубки

Среди химиков и биологов твердо утвердилось убеждение, что основой жизни на нашей планете является углерод. Углерод по общей массе значительно меньше распространен чем, например, кислород - необходимого для жизни химического элемента. Но в органическом мире число разнообразных соединений на основе углерода намного превышают аналогичное число для любого химического элемента из таблицы Менделеева. Более того, как оказалось, атомы углерода способны сами между собой образовывать высокосимметричные разновидности молекул углерода, по атомным масштабам достигающих гигантских размеров. О них и пойдет здесь речь.

Фуллерены. Возможность существования высокосимметричной молекулы углерода, напоминающей футбольный мяч, была предсказана японскими учеными Осава и Иошида в 1970 году. Через 15 лет (1985 г.) англичанину Крото с сотрудниками удалось синтезировать молекулу C₆₀, состоящей из 60 атомов углерода путем воздействия на графит мощного лазерного излучения. Синтез происходил в хаотической плазме с температурой 5000 - 10 000 ⁰C. Образующаяся при этом упорядоченная структура из хаоса приведена на рис. 1. Как видно из рисунка, атомы углерода располагаются на поверхности сферы в вершинах правильных пятиугольников (гексагонов). Впоследствии выяснилось, что существуют модификации C_n, n > 60. Например, высокосимметричную структуру имеет молекула C₇₀.

Рис. 1. Структура молекулы C₆₀: а - общий вид; б - структура связей

Молекулы C₆₀ могут кристаллизоваться, образуя кубическую решетку, хотя могут существовать и в некристаллическом виде. Все упомянутые многоатомные соединения углерода, как и сами кристаллические образования на их основе, получили названия фуллеренов. Твердый фуллерен в виде монокристаллов был синтезирован в 1990 году Кретчмером, Хоффманом и др. распылением углерода (графита) в электрической дуге между двумя угольными электродами.

В настоящее время внимание ученых в основном приковано к легированным молекулам C₆₀ - соединениям типа M_nC₆₀, где M - атом или молекула какого-либо вещества. Такие соединения называются фуллеридами. В 1991 году группа ученых из Bell Laboratory (США) обнаружила, что легированный калием фуллерен является при температуре ниже 18К сверхпроводником. Несколько позже обнаружились сверхпроводящие свойства и у других фуллеридов на основе щелочных металлов рубидия (Rb₃C₆₀) и цезия (Cs₃C₆₀). Максимальная температура T_c фазового сверхпроводящего перехода для них составляет около 30К. По неподтвержденным данным фуллерид меди Cu_nC₆₀ имеет T_c выше кипения жидкого азота.

Кроме сверхпроводящих свойств фуллериды обнаруживают магнитные свойства. Например, соединение C₆₀-ТДАЭ (ТДАЭ - тетрадиметиламиноэтилен) оказывается ферромагнетиком с температурой Кюри, равной 16К. При температуре, выше 16К C₆₀-ТДАЭ - парамагнетик.

Универсальные свойства фуллеридов изменяться от диэлектриков до сверхпроводников, от диамагнетиков до ферромагнетиков не обнаруживаются ни у другого класса молекулярных соединений.

Следует также отметить, что фуллерен является органическим веществом и рассматривается как связующее звено между живой и неживой материей. Поэтому технические изделия будущего на основе фуллеренов, скорее всего, будут обладать комбинированными качествами, присущим этим формам материи.

Нанотрубки. Еще одно уникальное свойство атомов углерода заключается в способности образовывать настолько многоатомные соединения, что их нельзя уже назвать молекулами. Такие соединения не поддаются легированию, и являются промежуточными объектами между атомами и молекулами, с одной стороны, и макроскопическими телами с другой стороны. Поэтому такие многоатомные соединения получили название наноматериалов, яркими представителями которых являются нанотрубки.

Чтобы лучше ощутить эти числа представим себе, что нанотрубка имеет толщину стенки в 1 см. Тогда ее диаметр был бы равен нескольким метрам, а длина - нескольким километрам. Забегая немного вперед, скажем, что по прочности нанотрубка и родственные ей материалы (нанотрубки) превосходят лучшие сорта стали примерно в 35 (!) раз.

Существуют простые и дешевые технологии заполнения нанотрубок металлами, жидкостями или газами. Поэтому нанотрубки, в сочетании с их высокой прочностью и химической стойкостью, могут использоваться в качестве тончайших проводников и сосудов для хранения газов и жидкостей. Кроме всего этого некоторые разновидности нанотрубок обладают металлической и полупроводниковой проводимостью. Это открывает новые возможности для создания диодов, транзисторов и других электронных приборов с чрезвычайно малыми размерами: до 10 ангстрем (напомним, размер атома водорода 1 ангстрем, или 10^-10 м).

Следующие направления практического использования нанотрубок определяется сверхвысокими упругими свойствами и сверхвысокими удельными поверхностями композиционных материалов, изготовленными на основе нанотрубок. Это - сверхлегкие и сверхпрочные ткани, фильтры и многое другое.

2. Тонкие магнитные пленки

В последнее время пристальное внимание физиков и специалистов по высоким технологиям привлекают еще тонкие магнитные пленки. Тонкой магнитной пленкой называется слой магнитного (обычно ферромагнитного) материала толщиной от нескольких единиц до 10⁴ ангстрем. Изучение физических свойств тонких ферромагнитных пленок актуально с точки зрения их практического применения в микроэлектронике и вычислительной технике. Важнейшим применением таких пленок является их использование в качестве магнитной среды для записи и хранения информации в запоминающих устройствах.

Тонкие магнитные пленки получают методом осаждения паров металла на специальную подложку. Физические свойства и технические характеристики пленок сильно зависят от условий, при которых осуществляются фазовые переходы пар жидкость кристалл. Наиболее существенным параметром является здесь температура подложки. Обычно она значительно меньше температуры кристаллизации осаждаемого металла, поэтому из-за быстрого охлаждения и большой скорости фазовых переходов пленки образуются в сильно неравновесных условиях. Неравновесность приводит к образованию структур в пленках, проявляющихся в первую очередь как распределенные области больших механических напряжении. Кристаллическая же структура формируется из аморфного состояния, в котором пленка пребывает в течение определенного времени, называемого временем релаксации. Это время зависит от температуры по закону Аррениуса.

Структура и физические свойства пленок зависят также от их толщины. При уменьшении толщины пленок возрастает вклад поверхностных процессов по сравнению с объемными. В пленках с толщиной меньше некоторой критической в результате увеличения вклада поверхностной энергии изменяются фазовые и структурные состояния, электрическое сопротивление и другие физические свойства. Особенности структуры и толщина тонких пленок оказывают существенное влияние на их магнитные свойства.

Малая толщина пленок при больших линейных размерах приводит к анизотропии в ориентации вектора намагниченности (магнитного момента - аналога вектора индукции ) магнитных доменов - областей самопроизвольной намагниченности. На рис. 2 приведена упрощенная схема двух основных видов ориентации доменов в тонкой пленке. В первом (сверху) из них вектор намагниченности направлен параллельно плоскости пленки, во втором (снизу) - перпендикулярно. Домены в пленках сосредоточены в виде длинных по направлению полос.

Для краткости мы будем ниже говорить об ориентированных доменах, подразумевая при этом направление вектора намагниченности.

Рис. 2

Как следствие этого появляются взаимно перпендикулярные оси легкого (ОЛН) и трудного (ОТН) намагничивания. Физическое содержание данных понятии говорят сами за себя: необходимо приложить сильно различающиеся по величине внешнее магнитное поле, чтобы заставить домены ориентироваться вдоль той или иной оси.

Противоположно направленные состояния вектора вдоль ОЛН оказываются одинаково устойчивыми при отсутствии внешнего поля . В этом отношении каждый домен представляет собой бистабильную систему. На (тонкой, но имеющей конечную ширину) границе доменов происходит постепенный поворот вектора намагниченности. Так что в целом вектор не претерпевает разрыва. На состояние намагниченности материала доменные границы играют существенную роль: энергия E_d магнитного поля в них

,

где - энергия на единицу поверхности границы;

S_d - площадь поверхности домена, сравнима с энергией, сосредоточенной в самих доменах.

Наиболее привлекательными для создания запоминающих устройств являются пленки с вертикальной ориентацией доменов. Ориентация намагниченности по нормали к плоскости пленки обеспечивает малые размеры перемагниченных участков и, следовательно, высокую информационную емкость магнитных носителей. Но еще более перспективными считаются магнитные пленки, в которых с вертикальной к плоскости пленки ОЛН домены разбиваются на цилиндрические фигуры.

Цилиндрические домены (радиуса r) образуются при некотором критическом значении B_* внешнего поля. Однако после того как цилиндрическая доменная структура образовалась, то последующее снижения величины уже практически не разрушает эту структуру. Для устойчивого существования цилиндрических магнитных доменов оказывается достаточным (теперь уже) наличие внутреннего магнитного поля, которое создает дополнительное давление p_d (как в объеме жидкости за счет сил поверхностного натяжения)

,

на цилиндрически изогнутую доменную границу, не давая ей деформироваться и превратиться в обычную полосовую структуру.

Пленки на основе цилиндрических магнитных доменов сейчас широко применяются на практике. Плотность записи для них находится в пределах 10100 Гбит/см². Кроме большой информационной емкости, запоминающие устройства на тонких магнитных пленках практически не имеют подвижных частей при высокой надежности.

3. Аморфные металлы

В начале 1960 годов методом быстрого охлаждения жидких металлов были получены их конденсированные разновидности, названные впоследствии металлическими стеклами. До этого времени металл всегда ассоциировался с понятием «кристалл», указывающим на наличие в металлах дальнего порядка - возможности получить всю структуру металла путем многократного повторения в трех направлениях элементарной единичной ячейки (решетки Браве).

В жидкости атомы располагаются хаотично. Но если охладить жидкость очень быстро, то молекулы могут не успеть перестроиться и образовать между собой упорядоченную структуру. Металлические стекла являются аморфными образованьями с ближним порядком. Это означает, что повторением элементарной ячейки можно получить структуру материала только лишь в пределах нескольких межатомных расстоянии.

Подлинный интерес к аморфным состояниям металлов и сплавов возник в начале 1990 годов, когда с помощью современных технических средств были обнаружены у них ряд уникальных свойств. Благодаря достигнутой к тому времени очень высокой скорости охлаждения жидких металлов (10¹⁰ K/с), практически не позволяющей в массе металла образоваться кристаллической структуре.

Ближний порядок, лежащий в основе структуры аморфных металлов и сплавов, является метастабильной системой. При нагреве до температуры кристаллизации T_x происходит фазовый переход, и он перестраивается в обычную кристаллическую структуру. В среднем для большинства аморфных сплавов T_x находится в пределах 650-1000 K. При комнатных же температурах аморфные сплавы могут сохранять могут сохранять свою структуру и свойства в течение 10⁴ - 10⁵ лет.

Формирование аморфной структуры металлов и сплавов приводит к фундаментальным изменениям магнитных, электрических, механических, сверхпроводящих и других свойств. Например, несмотря на то, что плотность аморфных сплавов на 1-2 % ниже плотности кристаллических аналогов, прочность их выше в 5-10 раз. Повышение прочности связано с отсутствием в аморфных металлах дислокации и границ зерен. Возникающие же щелеподобные дефекты настолько узки, что в них не может разместиться атом. Поэтому наличие таких дефектов мало сказывается на прочностных свойствах металлических стекол. А беспорядочное расположение атомов повышает их удельное сопротивление в 3-5 раз, приводит к чрезвычайно слабой магнитной анизотропии - способности легко перемагничиваться в любых направлениях. Последнее свойство аморфных металлов делает возможным создавать магнитные записывающие устройства размерами до нескольких атомных размеров при высокой износостойкости, высокочувствительные магнитные сенсорные устройства (т.е. датчики) и трансформаторы практически любых размеров.

4. Приборы и технические изделия нанометровых размеров

Создание первой интегральной микросхемы (1958-1959 годы) положило начало новому направлению в электронике - микроэлектронике. Дальнейшая миниатюризация рабочих элементов электроники (транзисторы, диоды, конденсаторы и т.д.) в дальнейшем привело к их размерам до десятых долей микрона - 10^-7 м. К настоящему времени уже существуют образцы рабочих элементов размерами порядка 1 нанометра и менее, которые образованы из единиц и десятков атомов. Принципы работы таких нанометровых приборов основаны уже на квантовой физике и существенно различаются от принципов действия рабочих элементов микронных размеров. Поэтому новое направление, возникшее в 1980-х годах, получило название наноэлектроники, открывающей перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.

В работе приборов микронного размера участвует поток из 10⁴ - 10⁶ электронов, а в наноэлектронных приборах - единицы электронов, поведение которых подчиняется квантомеханическим законам. Поэтому существуют, по крайней мере, три фундаментальных свойства электронов как материальных частиц, не имеющих прямых аналогов в классической механике, но играющих важнейшую роль в работе наноэлектронных приборов.

Эффект квантового ограничения. Представим себе достаточно длинный канал (квантовый шнур или квантовая нить) с поперечными размерами порядка нанометра и движущийся в нем одиночный электрон. Тогда по поперечным координатам y, z из-за проявления волновых свойств электрона движение квантуется: энергия, и импульс его могут принимать только дискретные значения, т.е. электрон по этим направлениям ведет себя как стоячая волна (поэтому имеет смысл говорить об электронной волне). Но вдоль координаты x он движется как обычная классическая частица. Волновые свойства электрона по поперечным размерам a, b квантового шнура являются частным проявлением фундаментального закона микромира, и выражается соотношением неопределенности Гейзенберга, которое для данного примера можно написать в виде

,

где p_y, p_z - характерные значения проекции импульса на соответствующие оси координат;

- постоянная Планка. Отсюда видно, что с уменьшением a и b импульс электрона растет. Это означает, что при малых значениях a, b удержать электрон в канале становится труднее.

В атомах, где электрон локализован по всем трем направлениям в пространстве с размерами порядка 10^-10 м, он удерживается мощными кулоновскими силами электростатического притяжения, действующим между электроном и положительно заряженным ядром. На стационарных орбитах движения вокруг ядра электрон ведет себя как стоячая волна и поэтому не излучает электромагнитные волны. При переходе с одной орбиты на другую он ведет себя как частица, и за время перехода излучает или поглощает электромагнитные волны.

В сущности нанометровые электронные приборы во многом похожи на атомы и молекулы, но только созданные руками человека.

Рис. 3

Интерференционный эффект. Проявляющиеся в наноразмерных структурах волновые свойства электрона приводят к еще другим эффектам, свойственным обычным волнам. Взаимодействие электронных волн, как между собой, так и с неоднородностями может сопровождаться интерференцией. Но в отличие от обычных волн электронная волна "переносит" электрический заряд, массу, магнитное поле (спин). Поэтому уникальная особенность такой интерференции состоит в возможности ею управлять с помощью локального электрического или электромагнитного поля.

Туннельный эффект. Электрон, как любая другая квантовая частица, обладает способностью преодолевать энергетический барьер, при этом частично теряя свою энергию. Доля потерянной энергии зависит от высоты барьера. Соответствующая волновая функция , а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шредингера:

,

где - т.н. эффективная масса электрона;

E_e - его энергия;

U(x) - форма энергетического барьера.

Принципиальное отличие наноэлектронных приборов от своих микроэлектронных собратьев на этом не завершается. Квантомеханические транзисторы, диоды - не полупроводниковые. Для реализации усиления, переключения и других операции в наноэлектронных приборах используются вышеперечисленные квантовые эффекты.

Квантомеханический туннельный эффект внешне схож аналогичному эффекту из теории броуновского движения. Но эти два вида туннелирования глубоко различаются по физическому содержанию.

Первые экспериментальные транзисторы на квантовых эффектах появились в 1990-х годах, хотя теоретические соображения по ним высказывались ранее. В настоящее время поиски в данном многообещающем направлении ведутся весьма интенсивно. Достигнутая частота переключения (тактовая частота) в квантовых транзисторах порядка 10⁶ МГц, что в 100 - 1000 раз больше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов на современных микроэлектронных чипах. По литературным данным наибольшего успеха в создании наноэлектронных приборов добились японские ученые, которыми уже созданы логические элементы «не - и» и «не - или», ячейки динамической памяти. В настоящее время они успешно работают над созданием суперкомпьютера с оперативной памятью в 1 гигабайт, причем этот блок памяти будет размещен на площади 200 мкм².

Список литературы

Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов //Соросовский образовательный журнал. 1997. №1. С. 92-99.

Золотухин И.В. Углеродные нанотрубки //Соросовский образовательный журнал. 1999. №3. С. 111-115.

Елецкий А.В. //Успехи физических наук. 1997. Т. 167, №9. С. 945-972.

Казаков В.Г. Тонкие магнитные пленки //Соросовский образовательный журнал. 1997. №1. С. 107-114.

Праттон М. Тонкие ферромагнитные пленки /Под ред. О.Е. Брянской, Н.Н. Калинина. - Л.: Судостроение, 1967.

Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986.

Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. //Успехи физических наук. 1990. Т.160, №9. С.75.

Золотухин И.В. Аморфные металлические материалы // Соросовский образовательный журнал. 1997. №4. С. 73-78.

Демиховский В.Я. Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое? // Соросовский образовательный журнал. 1997. №5. С. 80-86.

Шик А.Я. Квантовые нити. // Соросовский образовательный журнал. 1997. №4. С. 87-92.

Борисенко В.Е. Наноэлектроника - основа информационных систем XXI века // Соросовский образовательный журнал. 1997. №4. С. 100-104.

Размещено на Allbest.ru