<<
>>

Отношения величина - свойства

В главе 3 уже подробно говорилось о том, что в наноструктурах обнаруживается прямая связь между размерами структурных элементов и соответствующими физическими свойствами, в связи с чем особое значение приобретают возможности и границы миниатюризации и изменения масштаба вообще.

Существующий опыт миниатюризации в микроэлектронике при сохранении принципов функционирования компонентов доказывает, что возможности существенного уменьшения масштабов очень велики, так как проектировщикам и производственникам удавалось уже в течение десятилетий уменьшать размеры элементов, сохраняя известные базовые принципы функционирования.

Для пояснения общей идеи рассмотрим, например, механизм действия распространенного струнного инструмента (гитары), в которой звук создается колебанием струн, причем высота звука (при заданном материале и заданном натяжении струны) при этом обратно пропорциональна длине струны и соответствует частоте поперечных колебаний струны (так что «среднее Си* соответствует частоте в 256 Гц). Современная техника уже позволяет уменьшить размеры гитары до микрометров или субмикрометров, используя, например, методы выращивания кремниевых микроструктур, и на рис. 4.3 приведена фотография микроскопического музыкального инструмента, изготовленного по такой методике. Это устройство действует на основе законов классической механики, так что основная частота звука гитары будет следовать простому закону масштабирования (техническая сторона вопроса не должна нас волновать, так как колебания струн миниатюрной гитары можно вызывать не механическим, а например электрическим воздействием), в результате чего должны возникать механические вибрации с частотой порядка гигагерц (109 Гц). Такие вибраторы, соответствующие тактовой частоте современных компьютеров (сантиметровые электромагнитные волны), уже существуют и используются, но, разумеется, их действие не имеет отношения к звуковым волнам или музыке.

Нижняя граница частот для этих устройств задается частотами собственных колебаний некоторых двухатомных молекул (например, СО), соответствующих области от 10 до 100 терагерц (1013 — 1014 Гц).

Сегодня технически существует возможность создавать или производить так называемые «квантовые точки» (например, из смешанного полупроводника CdSe) с невероятно узким распре-

Рис. 4.3. Миниатюрная гитара, выращенная из кремния (Карр и Крэй- хэд, университет графства Корнуэлл, Великобритания)

делением размеров от 4 до 5 нм, которые при облучении ультрафиолетовым светом начинают высвечивать, причем частота флуоресценции очень сильно зависит от размера частиц. Квантовые точки зачастую называют «искусственными атомами* по причине их минимальной протяженности, однако они реально могут включать в себя до 50 000 атомов, так что для их описания могут быть привлечены концепции классической физики твердого тела. Многие свойства наночастиц (например, симметрия атомного упорядочения или нарушения в энергетической зоне), естественно, вообще не могут быть четко определены или даже соотнесены с характеристиками объемных образцов материала, однако освобождающиеся при ультрафиолетовом облучении носители заряда, образно говоря, как-то «чувствуют*, что свобода их перемещения внутри наночастиц ограничена. В соответствии с законами квантовой физики, их энергия должна возрастать обратно пропорционально квадрату размера частицы, а поскольку энергия носителей заряда определяется частотой испускаемого света, она может точно регулироваться диаметром квантовой точки, что приводит нас к идее регулирования излучения простым изменением размера частиц. Этот эффект наглядно демонстрирует, что хотя в некоторых случаях поведение наноструктур формально можно описывать простым изменением масштабов, но при этом нельзя забывать об огромной роли квантовых явлений, которыми мы обычно полностью пренебрегаем при описании макроскопических структур.

Довольно значительная область применимости масштабных отношений (скейлинга) объясняется постоянством макроскопи

ческих свойств конденсированного вещества, проявляющихся зачастую вплоть до размеров около 10 нм, что соответствует системам, содержащим примерно миллион атомов. Граница классических отношений достигается лишь при меньших размерах, когда для описания свойств конденсированного вещества следует применять концепции квантовой физики и нанотехнологии. Вообще говоря, представляется очевидным, что атомы и молекулы являются квантовыми (нанометрическими) объектами, но проблема заключается в том, чтобы внести ясность в различия между физическим и химическим поведением, возникающем на предельных границах изменения масштабов.

Выводы: Классические законы физики остаются справедливыми для систем с размерами до 10 нм, а при меньших размерах возникают новые закономерности. Дальнейшее уменьшение масштабов структур и явлений требует учета квантово-механических эффектов и связанных с ними особенностей. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Отношения величина - свойства:

  1. 1.4. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МОДЕЛЕЙ
  2. 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЕДИНИЦ ИНФОРМАЦИИ
  3. 1.3 Теоретические основы структурообразоваиия теста и его реологические свойства
  4. 2.2.2.2 Методы исследования реологических свойств теста
  5. Глава2. Структура основных свойств нервной системы
  6. Глава 4. Ориентировочные реакции и зависимость их динамики от основных свойств нервной системы
  7. Глава 11. О характере соотношения нервных процессов в рамках их баланса по основным свойствам нервной системы
  8. Глава 12. Проблема парциальности проявлений свойств нервной системы
  9. Комментарии ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕКА
  10. Физиологические и психологические предпосылки отражения в почерке свойств личности
  11. Влияние концентрации пигмента на защитные свойства грунтовочных покрытий