«нанотехнология негіздері» ПӘннің ОҚУ Әдістемелік кешені

Семей

1 ГЛОССАРИЙ

Берілген ОӘК терминдерге байланысты анықтамалары бар сипаттамалары көрсетілген.

1 Нонатехнологияның зерттеу құралы

2 Соңғы жетістіктері.
Нанотехнология - бұл көзге көрінбейтін аса ұсақ бөлшектерді ретке келтіре отырып, соның ерекшеліктерін алдын-ала белгілеп беру арқылы әлдебір құрылымды құрастыруға қажетті жекелеген атомдарды ыңғайластыра орналастыру және кеңістіктің нанометрлік аймағындағы жеке атомдарға, молекулаларға, молекулалық жүйелерге әсер ету арқылы жаңа физика-химиялық қасиеттері бар молекулалар, наноқұрылымдар, наноқұрылғылар мен материалдар алу мүмкіндіктерін зерттейтін қолданбалы ғылым.

Зерттеу әдістері

Нанотехнология - пәнаралық ғылым болғандықтан, ғылыми зерттеу жүргізу үшін «классикалық» биология, химия, физика сияқты бірдей әдістер қолданылады. Нанотехнология саласындағы зерттеудің негізгі әдістерінің бірі зондық микроскопиялық сканерлеу болып табылады. Қазіргі уақытта, ғылыми-зерттеу зертханалары, «классикалық» зонд микроскоптар ғана емес, сонымен қатар оптикалық микроскоптар, электронды микроскоптар, шашырау спектрометрлері және флуоресценция, ультрамикротомалар (материалдардың үш өлшемді құрылымы үшін) қолданылады.

Наномедицина және химиялық өнеркәсіп

Қазіргі заманғы медицинаның бағыты наномолекулярлық деңгейде жобалау өзгерістері мен адамның биологиялық жүйелерін қадағалау үшін наноматериалдар және нано-объектілерді бірегей қасиеттерін пайдалануға негіздеу болып табылады.

ДНҚ нанотехнологиясы - нақты айқындалған құрылымдардың, олардың негізінде құруға ДНҚ молекулалары мен нуклеин қышқылдарының ерекше негіздерін пайдалану болып табылады.

Есірткі және фармацевтикалық өнімдер нақты белгіленген нысандар (бис-пептидтер) молекулаларының өнеркәсіптік синтезі.

Агломерат қалыптастыру мәселесі

Нанобөлшектер немесе нанометрлердің бөлшектік өлшемінің ретін ғылыми қоғамдастық деп атайды, олардың бір қасиеті бар, ол олардың қолданылуына кедергі жасайды. Олар яғни бір-біріне жабысып, агломерат құра алады. Нанобөлшектер керамика өндірісінде, металлургия өнеркәсібінде перспективалы болғандықтан, бұл мәселені шешу қажет. Ықтимал шешімдердің бірі - заттарды пайдалануға болады - осындай аммоний цитрат ретінде дисперсанты (су ерітіндісі), имидазолина, олеиловый спирті(суда ерімейтін). Олар нанобөлшектер бар ортада қосуға болады.

Нанобөлшектер

Сондай-ақ, нанокомпонеттері - кез келген матрицаға нанобөлшектер енгізу арқылы алынған материалдарды атайды. .

Қазіргі уақытта, тек 50 нм үлкенірек нысандарды матрицалық жазық бетінде алуға мүмкіндік береді, ол электроникада қолданылатын микролитография әдісінде кеңінен пайдаланылады және КП және ALD әдісі арқылы микрон фильм жасау үшін пайдаланылады. Басқа әдістері негізінен ғылыми мақсаттар үшін пайдаланылады. Олардың көмегімен сіз нақты моноқабат жасауға болады, өйткені, ол иондық және атом қабаты тұндыру жасайды.

Органикалық нанобөлшектерінің ерекше классы екі табиғи және жасанды шығуды қамтиды.

2 Нанобөлшектер дегеніміз не?

3 Нанообъектілер неше классқа бөлінеді, атап көрсет?
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


2 Дәріс

(2 сағ; 2,3 апта)
Тақырыбы. Газдық ортадан химиялық тұндыру
Сұрақтары
1 Атомдық қабаттарды тұндыру

2 Газдық фазадан плазма-химиялық тұндыру

3 Металорганикалық қосылыс буларын химиялық тұндыру
Газдық фазадан плазма-химиялық тұндыру

Бұл әдістің көптеген әдіс-тәсілдері бар, олар химиялық реакцияларына және технологиялық қысым, т.б. субстрат, бу тасымалдау әдісі) жағдайына байланысты сипатталады. Әдетте, қалыпты температурада (100 – 400 ⁰С, металл хлоридтер, органометаллдық кешендері) жеткілікті жоғары бу қысымы бар прекурсорлар ретінде пайдаланылатын қосылыстар болып саналады.

Бу фазасында химиялық тұндыру әдісінде майысу дәрежесі жоғары болады, оның ішінде күрделі кескін беттерін түрлі құрылым (монокристаллды, эпитаксиалды, аморфты, поликристалды) бойынша жабуға мүмкіндік береді. Конденсация көлемінде химиялық буды тұндыру әдісі әр түрлі қосылыстардың наноұнтақ алуға өте тиімді болып табылатынын көрсетті.

Газдық фазадан плазма-химиялық тұндыру

Плазмалық химиялық тұндыру технологиясы белсенді радикалдардың ішіне реакциялық газды ірітуге плазмалық разрядты пайдаланады. Плазмалық камерада реакциялық қозғау және оның параметрлерін бақылау әр түрлі әдістерін қолдану, әлдеқайда төмен субстрат температурада аморфты және поликристалдық фильмдер өсуі, жабындар жүріс-тұрысы тұндыру процесін жандандыруға мүмкіндік береді, салыстырғанда алдын ала белгіленген микрорельеф құрылымын, қоспалық құрамы мен жабыны басқа қасиеттерін қалыптастыру, одан көп бақыланатын процесін орналастырып, реакциялық газ термиялық ыдырау негізінде химиялық бу тұндыру (CVD) үшін аналогиялық процестер жүреді.

1 сурет - ПХТ қолдану мысалы:

Металл катализатор өсті көміртекті нанотүтікшелердің жиыны.
750 °C температурада және төмендетілген қысымда 3:1 қатынасында ацетиленнің және аммиактан тұратын плазма жасап алынды.

Технологиялық режимдерін өзгерту модулі плазмалық әр түрлі ұзындықты және диаметрлі нанотүтікшелерді шығарады.

2 Химиялық бу тұндыру әдісі мақсаты қандай?

3 Плазмалық химиялық тұндыру буын сипаттаңыз?
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
3 Дәріс

(1 сағ; 4 апта)
Тақырыбы. Молекулалық - сәулелік эпитаксия.
Сұрақтар
1 Газдыфазалық эпитаксия.

2 Хлоридті әдіс.

3 Силандық әдісі.

4 Легирлеу (қоспалау)

Процесс арнайы тік немесе көлденең түрі атмосфералық немесе азайтылған қысым реакторлар жүргізіледі. 750 - 1200 °C дейін қыздырылған реакция төсемдердің беткі қабатында (жартылай өткізгіш пластиналар) жүреді. Төсемдерді жылыту инфрақызыл сәуле, резистивті немесе индуктивті түрде жүзеге асырылады. Осы нақты тұндыру жағдайлары үшін шектен төмен процесі температурасын төмендету поликристалды қабатының түзілуіне алып келеді. Екінші жағынан, ол эпитаксиалды қабатының және субстрат, алынған құрылғылардың жұмысын нашарлатуына, оның қатысуымен арасындағы өтпелі аймағындағы диффузиялық енін азайтуға мүмкіндік береді.

Химиялық бу тұндыру арқылы кремнийді эпитаксиалды қабаттарын өндіру екі негізгі тәсілі бар:

- Кремний тетрохлоридтерді (SiCl4) және сутегіні азайту, трихлорсилан (SiHCl3) немесе дихлорсилан (SiH2Cl2);

- Моносиланды пиролитпен жіктеу.

Хлоридті әдіс.

Кремний тетрахлорид жалпы реакция көзі ретінде пайдаланған кезде-ақ жазуға болады:
SiCl4+2H2(құрғақ)=Si+4HCl

Қайтымды реакция деп жоғары температурада және немесе хлорлы концентрациясы қарсы бағытта жүре бастайтын реакция болып табылады. Трихлорсилан және дихлорсилан төмендету реакциясы кремний тетрахлорида сутегі азайту реакциясының аралығы болып табылады. Сондықтан кремний көздері ретінде оларды пайдалану процесі техникалық және экономикалық параметрлерін арттыруға мүмкіндік береді. Пайдаланылатын заттардың ерекшеліктер көзін таңдау кезінде сонымен қатар ескеру керек. Бөлме температурасында трихлорсилан және кремний тетрахлорид сұйық, ал дихлорсилан газ тәріздес болып табылады. Кремний тетрахлорид сақтау және тасымалдау аздапа қауіпті, сондықтан трихлорсиланды меншік өндірістерде пайдаланылады.

Жалпы, кремний тетрахлоридын сутегі қысқарту процесі реакциялардың келесі жүйесімен сипаттауға болады:
SiCl4 + H2 <--> SiHCl3 + HCl;

SiHCl3 + H2 <--> SiH2Cl2 + HCl;

SiH2Cl2 <--> SiCl2 + H2;

SiHCl3 <--> SiCl2 + HCl;

SiCl2 + H2 <--> Si + 2HCl
Қабаттың өсу жылдамдығы - кремний, температура мен қысым көзіне байланысты 0.1-2.0 мм / мин. Бұл бу-газ фазада кремний бар қосылыстардың концентрациясына пропорционал.

Әдісті шектеуі: яғни, уландырғыш сапфир бойынша хлорлы сутегі ретінде жақұт төсемдердің эпитаксиалды пленкасын арттыру мүмкін емес.

Газ тәрізді қоспалар

Көп жағдайда газ тәріздес қоспалар қарапайым орнатуды салуға мүмкіндік береді, бірақ сақтау тұрақты емес және жоғары уытты (фосфин, диборан, арсин).

Ең жиі арсин AsH3 ретінде қолданылады.

Сұйық қоспалар

Сұйық легирлеуші қоспалар жеке дозаторға термостатирлі көпіршікті (қоспа нашар буланатын болса) түріне немесе буландырғыш түрі (жақсы буланатын болса) құйылады, онда газ тасымалдаушы Н2 беріледі. Бұл жағдайда эпитаксиалды қабатының қоспалық концентрациясын бақылау қиын болады.

Қатты қоспалар

Қатты лигерлеуші қоспалар ұшқын разрядын шашатын және одан ары қарай сутегімен реакция камерасына тасымалданады немесе пештің төмен температура аймағында буланады (бұл әдіс үшін екі аймақтық пешіне салынады).
Өзін – өзі бақылау сұрақтары

1 Қандай қоспаларды білесіз?

2 Қандай әдіс –тәсілдерді білесіз? Атап беріңіз.

3 Лигерлеудің негізгі әдістері.

Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.

2 Электрохимиялық улау.

Жалпы алғанда, бұл беткі жағының жоғары ажыратымдылығының (топография) үш өлшемді кескінді алуды қамтамасыз етеді. Зондық сканерлеуші микроскопының қазіргі заманғы үлгідегі түрін 1981 жылы Герд Карл Бинниг пен Генрих Рорер ойлап тапқан (құрылғыларды осы сияқты принциптерін басқа да зерттеушілер бұрын зерттеген). Осы өнертабыс үшін 1986 Физика бойынша Нобель сыйлығына ие болды, олар электрондық микроскопты ойлап тапқандар Э. Руска арасында бөліп алды. ЗСМ ерекшелігі болып табылады:

- зонды,

- 2-м үлгіге зондқа қатысты жылжыту үшін жүйе (XY) немесе 3-ші (XYZ) координаттары,

- тіркеу жүйесі

Тіркеу жүйесі - үлгіні қашықтыққа байланысты функциясының мәнін жазады. Әдетте, жазылған мән үлгідегі немесе координатты (Z) бойынша зондық позициясын бақылайды, теріс кері байланыс жүйесі өңделеді. Кері байланыс жүйесі ретінде ең жиі қолданылатын ПИД контроллері.

Зондық сканерлеуші микроскоптардың негізгі түрлері:

- Сканерлеуші атом - күштік микроскобы;

- Сканерлеуші туннельдік микроскобы;

- Жақын аймақты оптикалық микроскобы.

1 сурет - Сканерлеуші атом - күштік микроскобының жұмыс сызбасы.

Зондық сканерлеу микроскобын құруға негізгі техникалық қиындықтары:

- Зонд соңына сынақ объектісі салыстыруға өлшемді болуы тиіс.

- 0,1 ангстрем деңгейде тұрақтылық (жылу және діріл қоса алғанда) механикалық қамтамасыз ету.

- Детекторлар түзетуге бар жазылған параметрді сенімді тіркеу керек.

- Дәлдіктегі сканерлеуші жүйесін құру.

- Зондық беті тегіс түйісуін қамтамасыз ету.
Өзін – өзі бақылау сұрақтары

1 Қандай микроскоптарды білесіз?

2 Зондық сканерлеу микроскобын құрудың қандай қиындықтарын білесіз?

3 ЗСМ жұмыс принципі.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


5 Дәріс

(1 сағ; 6 апта)
Тақырыбы. Сканерлеуші туннельдік микроскопия.
Сұрақтары
1 Зондық сканерлеуші микроскобы

2 Сканерлеуші туннельдік микроскобы.

3 Сканерлеуші атом - күштік микроскобы.
Сканерлеуші туннельдік микроскобының қазіргі заманғы үлгідегі түрін 1981 жылы Герд Карл Бинниг пен Генрих Рорер ойлап тапқан (құрылғыларды осы сияқты принциптерін басқа да зерттеушілер бұрын зерттеген). Осы өнертабыыс үшін 1986 Физика бойынша Нобель сыйлығына ие болды, олар электрондық микроскопты ойлап тапқандар Э. Руска арасында бөліп алды. ЗСМ ерекшелігі болып табылады:

КСРО кезінді осы мәселе бойынша бірінші жұмыс 1985 жылы КСРО Физикалық проблемалар институтында жасалды.

Сканерлеуші туннельдік микроскоп СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) - жоғары кеңістіктік рұқсаты бар өткізгіш беттердің топографиясын өлшеу үшін зондық сканерлеуші микроскобының нұсқасы. STM өткір металл ине бірнеше ангстрем қашықтықта қолданылады. Инеге қатысты қолданылатын кезде туннелдеу ағымдағы болады. Осы ток шамасының үлгісі инелі қашықтыққа экспоненталық байланысты болады. Шамамен 1 А қашықтықтағы типтік мәндері 1-1000 Па тең. Зондық сканерлеуші микроскобы бірінші класындағы микроскоп болып сканерлеуші туннельдік микроскобы болса, ал атом күшi бар және жақын аймақты оптикалық микроскобы кейінірек әзірленді.

Сканерлеу барысында үлгі беті бойымен инелі қадамдар туннелдеумен байланысты, кері байланыстар әрекетке тұрақты сақталады және қарастырушы жүйесіннің айғақтар бетінің топографиясына байланысты өзгеріп отырады. Бұл өзгерістер жазылған және олар негізделген биіктік картасында жазылады. Тағы бір әдіс үлгінің үсті тіркелген биіктікте ине қозғалысын қамтиды. Бұл жағдайда, негізгі туннелдеу ағымдағы өлшемінің мәні және беттік топография құрылысы болып табылады.

Осылайша сканерлеуші туннельдік микроскопия (СTM) мынадай элементтерді қамтиды:

- зонды,

- тіркеу жүйесі

Тіркеу жүйесі - үлгіні қашықтыққа байланысты функциясының мәнін жазады. Әдетте, жазылған мән үлгідегі немесе координатты (Z) бойынша зондық позициясын бақылайды, теріс кері байланыс жүйесі өңделеді. Кері байланыс жүйесі ретінде ең жиі қолданылатын ПИД контроллері.

Әдісін пайдалану бойынша шектеулер қолданылады, әйтпесе туннелдеу болуы мүмкін, себебі, біріншіден, сынама өткізгіштігінің жағдайы (беті кедергісі 20 МОм/см² үлкен болмауы тиіс), екіншіден «жырақшық тереңдігі, оның енінен кішірек болуы тиіс». Бірақ бұл тек негізгі шектеулер болып табылады. Шын мәнінде олар көп. Мысалы, технологиясын тегістеу ине бір ине ұшына кепілдік бере алмайды және бұл параллель қарап шығу үшін екі түрлі биіктігі бөліктеріне алып келуі мүмкін. Сондай-ақ, біз ауаның бөлшектердің бетінде тұндыру барлық басқа жағдайларда жоғары вакуум жағдайында, газдар және т.б. Терең жақындату технологиялары өрескел нәтижелерін қолданылу бойынша үлкен әсер етеді.

2 Сканерлеуші туннельдік микроскобын құрудың қандай қиындықтарын білесіз?

3 СТМ жұмыс принципі
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
6 Дәріс

(1 сағ; 7 апта)
Тақырыбы. Атомдық инженерия.
Сұрақтар
1 Атомдық инженерияның даму тарихы

2 Тенденциялары және дамыту.

Адамзат көне заманнан бері энергияның жаңа көздерін іздеуде. ХХ ғасырдың ортасына қарай ол барлық дерлік оның табиғи көзі игерілді, ал коммерциялық ауқымда оларды пайдалануға, әсіресе ірі, өнеркәсіптік қалаларында, қалдықтарды өндірістік ортаның елеулі ластануына алып келді.

Атом энергиясын меңгеру - ХХ ғасырдың ештеңе тең келмейтін ғылыми-техникалық ең үлкен жетістіктерінің бірі. Материалдарды табиғи сақтау, атомның құпиясы, ядролық энергетикаға атомның енуі, яғни осының бәрі бұрын соңды осындай нәрселерді істей алмағанымен қазір бәрі қолжетімді. Жоғары қуатты жаңа энергия көздері бай баға жетпес мүмкіндіктердің кепілі болып тұр.

Энергетика бүгінде әлемдік өркениеттің мыңызды қозғаушы күшіне айналып отыр. Адамзаттың XXI ғасырдағы тұрақты әлеуметтік-экономикалық дамуын қамтамасыз етуде және энергетикалық сұраныстарын қанағаттандыруда ядролық энергетика айтарлықтай үлес қосуға тиіс. Әлемдік тәжірибе көрсетіп отырғанындай, Қазақстанда ядролық энергетиканы қолданбастан жақын және алыс болашақта энергетикалық кілтипандарды шешуге болмайтын сияқты. Қазақстан энергетикасы ерте ме, кеш пе, әйтеуір осы жолды таңдары анық. Бұл ретте көмірсутегімен салыстырғанда атом энергетикасының үлкен экономикалық тартымдылығы шешуші рөл ойнауы тиіс. Алып қорлары барына қарамастан уақыт өте келе көмірсутегі энергия тасымалдағыштарының сарқыла бастайтыны, сондай-ақ парникті шығындыларды шектеу мен қоршаған ортаны қорғау бойынша халықаралық стандарттарды сақтауға байланысты экологиялық құрамдас бөліктері де соған итермелейді.

Сондықтан, ХХ ғасырдың соңы, адамзат толығымен уран-235 атом энергиясын қорларын пайдалануды игерді. Отынның бұл түрі, атомдық қазандықтарда жағылады. Уран энергиясын тұтынуды қазіргі энергетикалық әлемдік жылдамдықпен қолдансақ, онда ол 50-60 жылға ғана жетеді.

Әрине, бұл энергияны табиғи газ, көмір және мұнай алу үшін, пайдалануға болады. Бірақ энергетикалық даму жолы болмайды. Себептері көп: ол экологиялық мәселе болып табылады - отынды жағудан улы химиялық өнімдермен қоршаған ортаны ластау, қазба отынның бағасы өседі. Мұнай және газды энергия көзі ретінде оларды пайдалану біз үшін сыйымсыз деп айтуға болады. Міне осы проблема болып табылады: адамзат энергияны болашақта қандай материалдан, қандай әдістермен алуға тиіс? Қазіргі уақытта мәселені шешу үшін кейбір негізгі ұғымдар бар:

1. Уран отын станцияларының желісін кеңейту.

2. Уран қарағанда табиғатта жиі тория-232-отын ретінде пайдалану, көшу.

3. Жылдам нейтронды ядролық реакторлар өту, 3000-нан астам жыл бойы ядролық отынның жаңғыртуды қамтамасыз ете алады, ядролық отынды жаңғыртады, ол қазір күрделі инженерлік проблема болып табылады және үлкен экологиялық қауіп асырады, сондықтан күрделі қарсылықтарға кезігеді.

4. Термоядерных реакцияны меңгеру Термоядерных реакцияда энергия гелий сутегі айналу кезінде жүретін процес. Тез термоядролық реакциялар сутегі бомбаларында жүзеге асырылады. Енді термоядролық реакциялардың ғылым міндеті жарылыс түрінде емес, бірақ басқарылатын, тыныш ағыс процесінің түрінде беріледі. Бұл мәселені шешу ядролық отын ретінде әлемдегі сутегі орасан зор қорына пайдалануға мүмкіндік береді.

Қазіргі уақытта энергетиканы дамыту мынадай сызбасы ең ақылға қонымды болып тұр: термоядролық реакция басқару мәселесін шешу кезеңінде уран және уран-торий АЭС кеңейту.

2 Қазіргі кезде энергияны дамыту сызбасы қалай көрсетілген?

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
7 Дәріс

(2 сағ; 8, 9 апталар)
Тақыры. Наноқұрылымды қалыптастыру зондық әдістері.
Сұрақтары
1 Ғылым мен өнеркәсіп үшін зондық сканерлеуші микроскоптар

2 Зондық сканерлеуші микроскопия

Нанотехнологиялар бетінің материалдардың әр түрлі қасиеттерін зерттеу жаңа деңгейін ашады. Сонымен қатар, нанолитография өндіруге, нашар наноқұрылымдар бетінде байланысты жылжыту бетінде ықтимал физикалық әсерлері: бетін зерттейді, сонымен қатар нақты әсер мүмкіндігін көрсету (1 сурет).

Бүгінгі күнінің өзінде зондық сканерлеуші микроскобы екі кезеңі тұрды.

Бірінші кезеңге сканерлеуші туннельдік микроскобы (СТМ) жатады. 1981 жылы ІВМ корпорациясыныњ швейцариялық филиалындағы екі инженер - Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер туннельдеуші микроскоп ойлап тапты. Микроскоптың құрылымы аса қарапайым: шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады.

Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нєтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оныњ көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Осылайша материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды «ажыратуға» мүмкіндік туады.

Тєжірибе барысында анықталғандай, тоннельдеуші микроскоптың бұрынғыларға қарағанда біршама артықшылықтары бар екен. Соның көмегімен жекелеген атомдарды «көруді» былай қойғанда, соларға әсер ету арқылы кез-келген кернеуді өзгертуге де мүмкіндік туады: қарапайым тілмен айтсақ, тоннельдеуші микроскоптың көмегімен атомды «іліп» алуға және қажетті жеріне қондыруға болады. Физиктердің атомдарды із қалауынша орналастыруға теориялыќ мүмкіндіктері пайда болады, яғни соларды кірпіш секілді қалай отырып, кез-келген затты жасап шығуға болады екен.

СTM жұмыс приципі: СTM өткір металл ине бірнеше ангстрем қашықтықта қолданылады. Инеге қатысты қолданылатын кезде туннелдеу ағымдағы болады. Осы ток шамасының үлгісі инелі қашықтыққа экспоненталық байланысты болады. Шамамен 1 А қашықтықтағы типтік мәндері 1-1000 Па тең. Зондық сканерлеуші микроскобы бірінші класындағы микроскоп болып сканерлеуші туннельдік микроскобы болса, ал атом күшi бар және жақын аймақты оптикалық микроскобы кейінірек әзірленді.

Сканерлеу барысында үлгі беті бойымен инелі қадамдар туннелдеумен байланысты, кері байланыстар әрекетке тұрақты сақталады және қарастырушы жүйесіннің айғақтар бетінің топографиясына байланысты өзгеріп отырады. Бұл өзгерістер жазылған және олар негізделген биіктік картасында жазылады. Тағы бір әдіс үлгінің үсті тіркелген биіктікте ине қозғалысын қамтиды. Бұл жағдайда, негізгі туннелдеу ағымдағы өлшемінің мәні және беттік топография құрылысы болып табылады.

1986 жылы атом күштік микроскоптар (АКМ) жасалып шығарылды, олар өзара күштерін ара қатынасы көмегімен ойлап табылған. Олар патефон сияқты салынған болдған. Серіпедегі өткір ине беткі қабатқа сырғып барып, серіппенің ауытқуын өлшейді. Ең бірінші серіпелер жұқа пластиналардан жасалған, оларға кішкентай өткір ине жабыстырылады, ол – кантилевер деп аталады. Кантилеверге қойылатын талап – ол әр кезде өткір болуы шарт. (2 сурет). Кантилеверлердің өнеркәсіптік өндіру технологиясы ол зонд микроскоптар екінші буыны дами бастағанда шықты, негізі 1990 жылы құрылды.

2 СТМ қолданылу аясы?

3 АКМ қай жылы шықты? Жұмыс приципі.
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


8 Дәріс

(1 сағ; 10апта)
Тақырыбы. Наноөлшемді суреттерді қалыптастыру әдістері.

Сұрақтары
1 Электрокүтік әдісі.

2 Сканерлеуші тунелдік әдіс.

3 Кельвин әдісі.
Зондық сканерлеуші микроскоптардың жұмыс принципі
Зондық сканерлеуші микроскоптар микрорельефа бетінің зерттеу және оның жергілікті қасиеттері инелер түрінде арнайы дайындалған зондтарын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Мұндай кеңестер жұмыс бөлігі (ұшы) он нм өлшемімен өлшенеді. 10 нм - 0,1 тәртібін зонд микроскоптар зонд және үлгі бетінің арасындағы типтік қашықтығы. Зондық микроскоптар жүрегінде зонд және беті арасындағы өзара іс-қимылдың әр түрлі түрлері бар. Осылайша, металл ұшы мен өткізгіш үлгідегі арасындағы ағыс тоннель тогының құбылысына негізделген туннелдік жұмысы орындалады. Электр іс-қимылдың әртүрлі түрлері атом күшіне, магниттік күші мен электр энергиясын микроскоптар жұмысын негізінде жасалады. Түрлі зондық микроскоптарға тән ортақ сипатты қарастырайық. Үлгісі P = P (Z), онда бұл параметр арасындағы қашықтықты бақылайтын кері жүйені ұйымдастыру үшін пайдаланылуы мүмкін, беті өзара іс-қимылы кейбір параметр сипатталады.1 Сурет - сызба сканерден микроскоптың кері байланысты қамтамасыз етудің жалпы принципі көрсетілген.

1 Сурет. Кері байланыс жүйесінің зондық микроскоптың схемасы.

ЗСМ көрінісін көрсету үшін сынаманы сканерлеудің арнайы ұйымдастырылған процессі болып табылады. Беті пропорционал жетегімен сигнал мөлшерімен компьютердің жадында есепке алынады. Белгілі бір (сканерлеу жолы) боймен үлгідегі жоғарыда зондық бірінші жүріп сканерлеген кезде өтіп, содан кейін қайтадан бастапқы нүктесінде зондық және келесі сканерлеу желісіне барады, және бұл процесс қайталанады. Осылайша компьютермен өңделеді кері байланыс сигнал сканерлеу жазылады, содан кейін бетінің бедері Z = F (х, у) ЗСМ бейнесі компьютерлік графика арқылы салынды. Механикалық, электрлiк, магниттiк, оптикалық және басқа да көптеген: үсті топографиялық зерттеумен қатар, зондық микроскоптар түрлі беттік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді.

2 Сканерлеуші тунелдік әдіс.

3 Кельвин әдісі.
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


9 Дәріс

(2 сағ; 11, 12 апталар
Тақырыбы. Өзін-өзі реттейтін процесс.
Сұрақтары

1 Түрлері мен процестердің сипаты.

2 Қолданылуы
Бұл қоспа арнайы кремний диоксиді, алюминий триоксиді және плазма-ауқымды графит қоспаларынан тұратын және өз қасиеттерін 1200 С температурада сақтап қалатын қоспаны болып табылады.

Қозғалтқыштағы туындаған шығындарды және басқа да бірлік азайту үшін нанотехнология қолдану үйкеліс энергиясын пайдалану, техниканы пайдалану кезінде үйкеліс жұбы арқылы мерзімін ұзарту, жаңа принципін кинематикалық микромодификация үйкеліс бетіне мүмкіндік береді.

Үйкеліс аумағындағы NanoVit кіріспесі металл бетінде өзін-өзі шипалы микромодификацияланған қабатының түрінде үйкеліс энергетикалық нанокристалды құрылымдарын пайдаланып белсенді аймаққа әкеледі. Металл беті микромодификацияланған қабаты туралы серпінді сынғыштығын қалпына келтірілді, белгілі бір тепе-теңдік қалған болып бетінің қабаты сақталды, ол оның қатты және икемді құрылым болып табылады. Микромодификацияланған қабатын құру өнімнің сомасы арқылы реттеуге болады. Үйкеліс және жылу айтарлықтай үлкен күш болып саналады, беттік қабатының қызметін NanoVit өзгертуге септңгңн тигізеді.
Өзін-өзі реттейтін процесс.
Қабат - өзін-өзі қорғайды бөлік болып табылады. Бұл процес үйкеліс кезінде энергиясын шығарып, өзін-өзі реттеп энергияны пайдаланады. Бұл энергия қабатының құрылысы, сондай-ақ басқа да жағынан оның қирауы да жүреді.

1-1,5 мм аралығында үйкеліс коэффициенті төмендейді, үйкеліс беттеріне арасындағы алшақтық болған кезде серпімді сыртқы қабатының құрылысы және жою процестерінің балансы жүреді. Үйкеліс бөліктері арасындағы алшақтық рұқсат етілген шекті тозу құрылымы 25% аспауы тиіс. Қабатының қалыңдығы 0,0001 0,1 мм дейін.

2 NanoVit қалай жұмыс атқарады?

3 NanoVit жұмыс принціпі?
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


10 Дәріс

(2 сағ; 13, 14 апталар)
Тақырыбы. Наноқұрылымды материалдар қалыптастыру.
Сұрақтары
1 Наноқұрылымның қабықшасы мен жабындарын қалыптастыру.

2 Эффекті нысан материалдарынан наноқұрылымды беткі қабаттарын қалыптастыру.

Наноқұрылымды анодтық фольга конденсаторында, оның беті наноқабат алюминий жауып сақтау сапалылы болатынын көрсетеді. Қазіргі уақытта ресейлік және шетелдік нарықтарында анодты фольга наноқұрылымы радиоэлектроника бойынша қолданыста жоқ

1 сурет - анодты фольганың беткі қабатының алюменді наноқұрылымы.

- Бейорганикалық және уытты емес материалдарды қолдану үшін;

- Фольга бетінің төмендеуі химиялық ластануы;

- Улы қалдықтар болмауы;

- Индустриялық вакуумдық жүйелер фольга үшін үлкен өндірістік қуаттары жинақы болып табылады;

- (Байланысты қалдықтарды зарарсыздандыру үшін қымбат емдеу нысандарын салу қажеттілігі болмауы) төмендеуі өндірістік шығындар;

- Қуатты үнемдеу;

- Неғұрлым тиімді шикізат (алюминий) тұтынылған.

Электрохимиялық өндірісте кедергі наноқұрылымды анодты фольга артықшылықтары:

- Байланысты барынша жұмыс бетінің ауданы сыйымдылығы (50%) айтарлықтай өсуі;

- Қалыңдығы (1,5-2 есе) және салмағы азайту;

- Механикалық беріктігі айтарлықтай өсуі;

- Бірегей икемділігі.

Электролиздік конденсаторлар наноқұрылымы анодты фольга алдын ала сыналады, ол оның электрохимиялық және электр сипаттамаларын тұрақтылығын көрсетеді. Атап айтқанда, бұл фольга пайдаланылатын конденсатордың нақты сыйымдылығы 30 В кернеу 120 мкФ/см² тең болады.

2 сурет - наноқұрылымның алюменді анодты фольганың полмерлік қабатының негізігі көрінісі

2 Вакуумды иондық-плазмалық технологиясы қандай артықшылықтары бар?

3 Электрохимиялық өндірген фольга үшін наноқұрылымды анодты фольганың артықшылықтары неде?
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.

11 Дәріс

(1 сағ; 15апта)
Тақырыбы. Нанотехнологияның соңғы кездегі жетістіктері
Сұрақтары

1 Зерттеу әдістері

2 Нанокристалдар.

3 Аэрогель.

4 Наноаккумуляторлар.
Монокристалл - барлық көлемде бірыңғай кристалдық торы болатын кристалл.

Монокристалдың сыртқы пішіні атом кристалды құрылымы мен кристалдану жағдайында анықталады. Сондай-ақ анықталған бір кристал тепе-тең емес кристалдануы кесілген табиғи қырлы әлсіз олып табылады. Табиғи қырлы монокристал мысалдарына кварц, тас тұз, исландия шпаты, гауһар, топаз жатады және олар монокристал ретінде қызмет етеді. Монокристалдан поликристалдық агрегаттары және поликристалды ажыратуға болады, себебі олар өте ұсақ монокристалдардан тұрады. Үлкен өнеркәсіптіктемонокристалдардың жартылай өткізкізтік және диэлектрлік түрі қолданылады. Атап айтқанда, кристалдардың кремнийі қазіргі заманғы қатты күйдегі электроника негізі болып табылады.

Аэрогель типі жеңіл, бірақ қатты көбік сияқты, көбік тәрізді нәрсе ұқсайды. Кезде ауыр жүк аэрогель жарықтар, бірақ жалпы бұл өте күшті материал болып табылады. Аэрогель үлгісі 2000 рет өз салмағы қуатына шыдай алады. Аэрогель, негізінде кварц – ол жақсы жылу оқшауландырғыш. Сондай-ақ олар өте гигроскопиялық болып табылады.

Негізі түрі аэрогельдердің түссіз. Олар көрінісі жарық және берілетін сары жарық көкшіл болып, ағаш тәрізді құрылымдары релативитік шашырау арқасында.жарықтары бөлінеді.

Көміртекті нанотүтікше (тубелены) — бұл бір немесе бірнеше алтыбұрышты графит түтікке прокат және жартылай молекулалық фуллерен ретінде қарастырылады, негізінде, жарты сфера нм өлшемді және бірнеше сантиметр ұзындығы бірнеше ондаған біріне сәйкес келетін түтікше түрі.

Бір-қабырғалы нанотүтікше хиральді индекстері (M, N) бірегей төмендегідей қарым-қатынас арқылы оның диаметрі D анықталады:

(1)

мұндағы d₀ = 0,142 нм — бір графиттің көрші көміртегі атомдарының арасындағы қашықтық. Хиральді көрсеткіштер (M, N) және бұрышы α арасындағы байланыс мынадай болады.

(2)

Нанотрубки әр түрлі мүмкін болатын бағыттары арасында шығу тегі бар алтыбұрыш комбинациясы (M, N) құрылымында анықталады.. Бұл бағыттар, атап айтқанда, бұрыштары α = 0 (кресло конфигурациясы) және α = 30 ° (ирек конфигурациясы) сәйкес келеді. Конфигурация хиральді индекстері (м, 0) және (2n, N) тиісті.

1 сурет – Нанотүтікше көрінісі

1 Нанотүтікше деген не?

2 Нанотүтікшенің қандай түрін білесіз? Олардың айырмашылығы неде?

3 Аэрогель деген не? Аэрогелдердің қандай түрі бар?

4 Монокристалл деген не?
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.

3 ЗЕРТХАНАЛЫҚ САБАҚТАР

Зертханалық сабақтар - студенттердің тәуелсіздігін қалыптастыруға бағытталған өздігімен жұмыс істеуге мен дағдылануға бағытталған.

Зертханалық сабақтары пәннің ең қиын мәселелерді тереңдетіп зерттеу арқылы жеңілдету және студенттердің өзіндік жұмысын қорытындылаудың негізгі формасы ретінде қызмет етуі тиіс. Бұл студенттер кәсіби құзыреттілігін дамытуға ықпал, сауаттылығын ашуды білдіреді және еркін пікір білдіруіне септігін тигізеді. Барлық осы заманғы маманға қажетті дағдыларды меңгеруге көмектеседі.
1 Зертханалық сабақ

(3 сағ, 1,2,3 апталар)
Тақырыбы. Зондық датчиктерді дайындау
Сабақтың мақсаты: Зондық сканерлеуші микроскопия негізін меңгері, оның жұмыс принціпін және ЗСМ оқу- зерттеу «Nanoeducator» құрылғысының зондық датчик әдісі арқылы электрохиялық улауды игеру.
Жұмыс істеу үшін нұсқаулар, зертханалық жұмыстарды қорғау мәселелері пайдалануға арналған әдістемелік нұсқау берілген.
2 Зертханалық сабақ

(2 сағ; 4, 5 апталар)
Тақыры. ЗСМ «Nanoeducator» құрылғысында жоғары бетін сканерлеу және оның көрінісін алу
Сабақтың мақсаты. ЗСМ оқу- зерттеу «Nanoeducator» құрылғысында жұмыс істеуге дағдылан.
Жұмыс істеу үшін нұсқаулар, зертханалық жұмыстарды қорғау мәселелері пайдалануға арналған әдістемелік нұсқау берілген.
3 Зертханалық сабақ

(2 сағ; 6,7 апталар)

Тақырыбы. Гибридты интегралды сызба және жылуөткізгіштер үшін материалдар.
Сабақтың мақсаты. Гибридты интегралды сызба және жылуөткізгіштер үшін қолданылатын материалдардың маңыздылығын игеру. Сипаттама беру.
Жұмыс істеу үшін нұсқаулар, зертханалық жұмыстарды қорғау мәселелері пайдалануға арналған әдістемелік нұсқау берілген.
4 Зертханалық сабақ

(3 сағ; 8, 9, 10 апталар)
Тақырыбы . ЗСМ бірінші көрісністі алу. Тәжірибені өңдеу және қорытынды шығару
Сабақтың мақсаты ЗСМ құрылғысын меңгеру және сапалы көріністер алу, алынған қортындысы өңдеуді игеру.
Жұмыс істеу үшін нұсқаулар, зертханалық жұмыстарды қорғау мәселелері пайдалануға арналған әдістемелік нұсқау берілген.
5 Зертханалық сабақ

(3 сағ; 8, 9, 10 апталар)
Тақырыбы. (СТМ) сканерлеуші туннельдік микроскопия арқылы қатты дененің бетін зерттеу әдісі.
Сабақтың мақсаты. СТМ құрылғысын меңгеру және әртүрлі мысалдар арқылы қатты дененің беткі қабатын зеттеу.
Жұмыс істеу үшін нұсқаулар, зертханалық жұмыстарды қорғау мәселелері пайдалануға арналған әдістемелік нұсқау берілген.

4 МАГИСТРАНТТЫҢ ӨЗДІК ЖҰМЫСТАРЫ

Кредиттік оқыту жүйесі бойынша үй тапсырмаларын орындауда магистрантардың өздік жұмысын ұйымдастырудың сапасын арттыру үшін жоғары талаптар қойылған.