36. (1) Собственные и примесные полупроводники. Акцепторная и донорная примеси. Уровень Ферми в полупроводниках. Их зонная структура
Свободными носителями зарядов в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атома самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями зарядов могут быть ионы. На рис. 1 показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда. При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. Под действием избыточной энергий Δ W0, появляющейся за счет температуры, облучения, сильных электрических полей и т. д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия Δ W в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд. При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки
 
|
Акцепторная и донорная примеси.
Донорные примеси - атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию электронов. Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.
Акцепторные примеси - атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок. Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.
Энергия Ферми EF — максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля. Энергия Ферми совпадает со значениями химического потенциала газа фермионов при Т =0 К, то есть уровень Ферми для электронов играет роль уровня химического потенциала для незаряженных частиц.
Приведем разъяснения где находится уровень Ферми у чистого полупроводника. У полупроводника число электронов в зоне проводимости точно равно числу дырок в валентной зоне.
И так, вероятность заполнения симметрично расположенных относительно запрещенной зоны уровней энергии в зоне проводимости и валентной зоне в сумме равна единице. В нашем примере это 0,4+0,6=1. А это значит, что уровень Ферми, вероятность заполнения которого равна 0,5, должен располагаться в середине запрещенной зоны, как это показано на рисунке ниже, где уровень Ферми обозначен через EF.
Вероятность заполнения по уровню Ферми
Но возникает вопрос. Вероятность заполнения уровня Ферми равна 0,5, но он лежит внутри запрещенной зоны. Значит, на этом уровне электроны находиться не могут. Объяснить, почему это так, может лишь квантовая физика. Мы же должны здесь толковать смысл уровня Ферми следующим образом: «Если бы внутри запрещенной зоны в месте расположения уровня Ферми имелись разрешенные энергетические уровни, то они заполнялись бы с вероятностью, которая была бы равна 0,5».
Где расположен уровень Ферми в примесных полупроводниках n- и р-типов
Начнем с полупроводника n-типа. Введение донорной примеси (например, фосфора в германии), как мы уже установили, сильно увеличивает число электронов в зоне проводимости, не меняя при этом числа дырок в валентной зоне. Это значит, что вероятность заполнения уровней зоны проводимости должна расти и следовательно, уровень Ферми должен сместиться вверх от середины запрещенной зоны ко «дну» зоны проводимости.
Аналогичные рассуждения позволяют утверждать, что в полупроводнике р-типа уровень Ферми должен сместиться от середины запрещенной зоны вниз к «потолку» валентной зоны.
37. (2) Основные механизмы движения носителей заряда.
В отсутствие электрического поля в кристалле и одинаковой концентрации носителей заряда в объеме полупроводника электроны и дырки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении, распределенном по всем направлениям. Ввиду хаотического характера движения носителей заряда ток в кристалле равен нулю.
Электрическое поле и неравномерность распределения концентраций носителей заряда являются факторами, создающими упорядоченное движение носителей заряда, т. е. обусловливающими электрический ток в кристалле полупроводника. Направленное движение носителей заряда под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей заряда — диффузией (диффузионное движение). В зависимости от характера движения носителей заряда различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей заряда — электронные и дырочные составляющие этих токов. Коэффициент пропорциональности называют подвижностью электронов (μn) и дырок (μp). Электроны перемещаются в направлении, противоположном действию поля, а дырки — в направлении действия поля. Этим объясняется наличие знака минус в формуле (1.4). Движение дырок, обусловленное замещением валентными электронами дефектов ковалентных связей атомов в решетке, является более затруднительным, чем свободных электронов. Диффузионное движение носителей заряда возникает, когда имеется различие в концентрации электронов (дырок) в соседних слоях полупроводника. Носители заряда перемещаются из слоя с большей концентрацией в слой с меньшей концентрацией. Если в данном слое постоянно поддерживается более высокая концентрация носителей заряда, чем в соседнем с ним слое, то создается непрерывный диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания концентрации. Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с носителями заряда противоположного знака (носители заряда обладают конечным временем жизни). Их концентрация уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к равновесной. Расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз, называют диффузионной длиной L (соответственно Ln - для электронов и Lp - для дырок). Иными словами, это среднее расстояние, на которое носитель заряда может переместиться за время своей жизни.
38. (3) Контактные явления в полупроводниках. Контакт металл-полупроводник и его свойства. Эффект Шоттки.
В основе работы многих полупроводниковых приборов лежат явления, происходящие на границах между материалами с различными электрофизическими свойствами. Такая граница называется контактом. Наибольшее распространение получили следующие четыре вида контактов:
1) контакт между электронным и дырочным полупроводником, или p-n переход;
2) гетеропереход – контакт между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны;
3) контакт металл- полупроводник;
4) контакт металл-диэлектрик-полупроводник, или МДП контакт.
Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.
ГЕТЕРОПЕРЕХОД - контакт двух различных по хим. составу полупроводников. Г. может быть образован между двумя монокристаллич. или аморфными полупроводниками, между монокристаллич. и аморфным полупроводниками, однако наиб. практич. значение имеют Г., образованные монокристаллами. На границе Г. происходит изменение свойств полупроводникового материала: структуры энергетич. зон, ширины запрещённой зоны, эффективных масс носителей заряда, их подвижности и т. д. Г. наз. изотипным, если он образован полупроводниками с одинаковым типом проводимости, и анизотипным, если проводимость разного типа. Одними из первых были получены и исследовались Г. Ge-GaAs
Рассмотрим процессы, происходящие при сближении и контакте двух электронных проводников, например двух металлов, с разными работами выхода. Энергетические схемы этих металлов показаны на рис. 9. Пусть ЕF1иЕF2– энергия Ферми для первого и второго металла соответственно, аW01иW02– их работы выхода. В изолированном состоянии у металлов одинаков уровень вакуума и, следовательно, разные уровни Ферми. Предположим для определенности, чтоW01<W02, тогда уровень Ферми первого металла будет выше, чем второго (рис. 9 а). При контакте этих металлов против занятых электронных состояний в металле 1 находятся свободные энергетические уровни металла 2. Поэтому при контакте этих проводников возникает результирующий поток электронов из проводника 1 в проводник 2. Это приводит к тому, что первый проводник, теряя электроны, заряжается положительно, а второй проводник, приобретая дополнительный отрицательный заряд, заряжается отрицательно. Вследствие зарядки все энергетические уровни металла 1 смещаются вниз, а металла 2 – вверх. Процесс смещения уровней и процесс перехода электронов из проводника 1 в проводник 2 будет продолжаться до тех пор, пока уровни Ферми обоих проводников не выровняются (рис. 9 б). Как видно из этого рисунка, равновесному состоянию соответствует разность потенциалов между нулевыми уровнями проводников 01и 02:
Разность потенциалов VК.Р.П называется контактной разностью потенциалов. Следовательно, контактная разность потенциалов определяется разностью работ выхода электронов из контактирующих проводников. Полученный результат справедлив для любых способов обмена двух материалов электронами, в том числе и путем термоэлектронной эмиссии в вакууме, через внешнюю цепь и т.д. Аналогичные результаты получаются при контакте металла с полупроводником.
В диодах Шоттки в качестве барьера Шоттки используется переход металл-полупроводник, в отличие от обычных диодов, где используется p-n переход. Переход металл-полупроводник обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся: пониженное падение напряжения при прямом включении, высокий ток утечки, очень маленький заряд обратного восстановления. Последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей, т.е. они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью. Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.
Суть: при приложении прямого напряжения на переход диод открывается (аналогично p-n переходу), но плюс в том, что падение напряжения на переходе очень мало, благодаря меньшему сопротивлению метал-полупроводник, нежели в полупроводник-полупроводник.
МОП-структура (металл — оксид — полупроводник) — наиболее широко используемый контакт в полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO2
39. (4) Контактная разность потенциалов p-n перехода. Параметры области объемного заряда. Равновесное состояние p-n перехода.
Наличие ионов примесей в запирающем слое p–n перехода создает разность потенциалов, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов. Значение контактной разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n– и p–типа.
Контактная разность потенциалов зависит:
1. От ширины запрещенной зоны полупроводника. При одинаковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны.
2. От концентрации примесей в смежных областях полупроводника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает.
3. От температуры полупроводника. При ее увеличении контактная разность потенциалов уменьшается.
Переход между двумя областями полупроводника с разнотипной проводимостью называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе.
Область объемного заряда по середине границы р-n перехода с захватом р и n области соответственно (пунктиры на рисунке). шираина зоны зависит от степени легирования полупроводника и разницы величин Это зависит от того, куда приложен плюс, а куда минус. Считается, что если плюс приложен к р-области, а минус – к п-области, то это прямое смещение р-п перехода, а если наоборот, то это обратное смещение р-п перехода.
.
40. (5) Неравновесное состояние p-n перехода. Прямое и обратное включение p-n перехода.Вольт-амперная характеристика p-n перехода. Характерные области ВАХ.
При прямом смещении р-n перехода (плюс к р-области) энергия электрона в р-области увеличивается, эта часть зоны на энергетической зоне поднимается, а в n-области – понижается, и n-область понижается. Поэтому потенциальный барьер уменьшается. Также уменьшается и ширина области объёмного заряда.
Итак, в р-n переходе имеется диэлектрическая область, которая при прямом смещении уменьшается по толщине. Поэтому сопротивление этой области значительно уменьшается.
При обратном смещении (плюс к n-области) энергия электрона уменьшается в n-области, эта область в зоне перемещается вниз, а р-зона – вверх. Высота барьера увеличивается, а также, согласно приведенной выше формуле, растёт ширина области пространственного заряда (следует иметь ввиду, что в этом случае в формулу подставляется отрицательное U). Т.е. в этом случае диэлектрическая прослойка внутри р-n перехода растёт, и сопротивление структуры увеличивается с ростом (по модулю) напряжения.
41. (6) Пробой p-n перехода и его механизмы.
I. Туннельный пробой (А-Б),
II. Лавинный пробой (Б-В),
III. Тепловой пробой (за т.В).
Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.
Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.
Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода.
Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода.
42. (7) Структура и энергетические диаграммы биполярного транзистора. Механизмы движения носителей заряда. Основные физические параметры.
Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами, созданными в объёме монокристалла полупроводника. В зависимости от материала полупроводника различают кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n-перехода разделяют монокристалл на три легированные примесями области, называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-pПриборы типа n-p-n в настоящее время используют чаще, потому что по сравнению с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики в области высших частот из-за большей подвижности дырок и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.
В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении[2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). В транзисторе типа n-p-n[3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[4]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.
Параметры: Коэффициент передачи по току. Входное сопротивление. Выходная проводимость. Обратный ток коллектор-эмиттер. Время включения. Предельная частота коэффициента передачи тока базы. Обратный ток коллектора. Максимально допустимый ток.
43. (8) Схемы включения транзистора, их характерные особенности. Структура и энергетические диаграммы биполярного транзистора.
Как видно из этого рисунка с транзистором типа n-p-n, схемы содержат две внешние цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схем) и выходная (правые части). Наименование схемы включения определяется по электроду, который является общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе осуществляется управление работой транзистора. Нагрузка включается в выходную цепь.
Как отмечалось, в биполярном транзисторе эмиттерный и коллекторный токи практически одинаковы. Поэтому схемой ОБ, в которой выходное напряжение U 
много больше входногоU 
, обеспечивается усиление сигнала только по напряжению. Ток базы транзистора существенно меньше коллекторного и эмиттерного токов, которые являются выходными в схемах ОЭ и ОК, что обусловливает усиление сигнала в этих схемах по току. Однако в схеме ОК значения входного и выходного напряжений,UБК иU 
, отличаются незначительно, в результате чего сигнал по напряжению не усиливается (см. разд. 2.9). В схеме ОЭ величина входного напряженияU 
во много раз меньше величины выходного напряженияU 
. Таким образом, в этой схеме сигнал усиливается не только по току, но и по напряжению, а, следовательно, можно обеспечить наибольшую величину коэффициента усиления по мощности. Данное обстоятельство определило более широкое распространение схемы ОЭ включения биполярного транзистора в электронных устройствах.
Структура и энергетическая диаграмма в прошлом вопросе
44. (9) Структура и энергетические диаграммы полевого транзистора. Механизмы движения носителей заряда. Основные физические параметры. МДП, МОП транзисторы.
В качестве примера практического использования эффекта поля рассмотрим его применение для создания полупроводниковых приборов. В таких приборах осуществляется управление величиной электрического сопротивления индуцированного или заранее созданного (встроенного) проводящего канала полупроводника за счет приложения поперечного внешнего электрического поля. Такие структуры получили общее название полевые транзисторы.
Напомним, что МДП-структурой называется трехслойная (металл-диэлектрик-полупроводник) структура, в которой достигается управление поверхностной проводимостью полупроводника за счет энергии поперечного внешнего электрического поля.
Следовательно, МДП-транзистор - это полупроводниковый прибор с управляемой внешним напряжением поверхностной проводимостью. В транзисторах, выполненных на подложках из Si, в качестве диэлектрика используется двуокись кремния SiO2. Такие транзисторы часто называют МОП-транзисторами. Различают две конструктивные разновидности МДП транзисторов с изолированным затвором: с индуцированным каналом; со встроенным каналом.
В транзисторах с индуцированным каналом канал формируется за счет электростатической индукции при подаче напряжения смещения на затвор, а в транзисторах со встроенным каналом канал формируется уже при изготовлении транзистора. Физические структуры МДП-транзисторов с изолированным затвором и каналами n-типа проводимости, схемы их включения и их условные графические изображения изображены на рис. 5.1,аи б, соответственно.
Транзистор представляет собой кристалл кремния (например, p-типа), у поверхности которого методами диффузии или ионной имплантации с применением фотолитографии формируются две областиn-типа проводимости. Одна из этих областей называетсяистоком, другая -стоком. Сверху области истока и стока металлизируются (обычно алюминием). На границе междуn- иp-областями возникают дваp-nперехода - истоковый и стоковый. Область кристалла между истоковым и стоковымp-nпереходами называетсяканалом. Поверхность кристалла в промежутке между стоком и истоком защищается тонким (0,2..03 мкм) слоем окисла SiO2 и также покрывается пленкой металла. Этот электрод транзистора называютзатвором. Обратная сторона кристалла металлизируется и электрически соединяется с электродом истока.
Физические процессы в МДП транзисторе с индуцированным каналом. Рассмотрим работу этого прибора. ЕслиUзи=0, то сопротивление канала между стоком и истоком очень велико, так как стоковыйp-nпереход оказывается под обратным смещением.
Для того, чтобы канал (промежуток сток-исток) стал проводящим, на электрод затвора подается положительное напряжение Uзи>0. В результате под затвором сначала образуется обедненная область, а при величинеUзи 
Uо=2jsm под затвором образуется инверсионная область, которая соединяетn-области истока и стока проводящим каналом. Такой проводящий канал называетсяиндуцированным каналом. НапряжениеUоназываетсяпороговым напряжением и в зависимости от вида применяемого диэлектрика для различных типов МДП-транзисторов на основе кремния достигает величины 0,4...1,5 В.
Структура проводящей подзатворной области показана на рис. 5.2, а. Непосредственно под затвором находится проводящий инверсионный слой. За инверсионным слоем вглубь полупроводника следует слой, обедненный носителями заряда. За обедненным слоем следует объемный слой подложки полупроводника с дырочным типом проводимости. Таким образом, мы видим, что вблизи поверхности подложки в подзатворном слое возникn-pпереход. Электронная область этого перехода создает проводящий канал МДП транзистора с индуцированным каналом.
Итак, после образования проводящего канала сопротивление полупроводника между истоком и стоком уменьшается. Если теперь между стоком и истоком приложить запирающее напряжение Uси, то носители заряда (в данном случае – электроны) перемещаются по проводящему каналу и создают ток стокаIc. При этом изменением напряжения на затвореUзможно уменьшать или увеличивать ширину канала, тем самым регулируя ток стокаIс.
Физические процессы в МДП транзисторе со встроенным каналом. В некоторых типах МДП-транзисторов применяется встроенный канал. Такой канал возникает, когда концентрация электронов, поступивших из диэлектрика, достаточна для образования инверсионного слоя, существующего даже при нулевом напряжении на затворе. Вследствие подачи запирающего напряжения на затвор, в подзатворной области полупроводника создается режим обеднения, приводящий к сужению проводящего канала, а, следовательно и к увеличению его сопротивления (рис. 5.2,б).
Если теперь между стоком и истоком приложить запирающее напряжение Uси, то носители заряда (в данном случае – электроны) перемещаются по проводящему каналу и создают ток стокаIc. При этом изменением напряжения на затвореUзможно уменьшать или увеличивать ширину канала, тем самым изменяя ток стокаIс
Напряжение отсечки Uотс - один из основных параметров, характеризующих полевой транзистор. При напряжении на затворе, численно равном напряжению отсечки, практически полностью перекрывается канал полевого транзистора, и ток стока при этом стремится к нулю.
Измерение истинного значения напряжения отсечки (при полном перекрытии канала) произвести довольно трудно, так как при этом приходится иметь дело с чрезвычайно малыми токами стока, к тому же зависящими от сопротивления изоляции. В справочных данных на полевые транзисторы всегда указывается, при каком значении тока стока произведены измерения напряжения отсечки. Так, например, для транзисторов КП102 напряжения Uотс получены при токе стока 20 мкА, а у транзистора КП103 - при токе стока 10 мкА.
Крутизна проходной характеристики. Входное сопротивление полевых транзисторов со стороны управляющего электрода составляет 107-109 Ом для транзисторов с p-n-переходом. Так как входные токи полевых транзисторов чрезвычайно малы, то управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и электронных ламп, целесообразно характеризовать крутизной проходной характеристики.
Крутизна полевых транзисторов
Пробивное напряжение. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор - канал. Обратное напряжение диода затвор - канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится. Например, у транзистора КП102 пробой наступает при суммарном напряжении между затвором и стоком, равном 30 В. Это напряжение является минимальным; фактически напряжение пробоя составляет в среднем около 55 В, а у отдельных экземпляров достигает 120 В.
45. (10) Наноразмерные структуры. Особенности их зонной структуры. Резонансная проводимость.
Важными составляющими является разработка и изучение наноматериалов, нанообъектов, способов их совмещения, а также исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях. Под наноматериалами принято понимать материалы, основные структурные элементы (кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают так называемой нанотехнологической границы – 100 нм.
Если говорить о наноматериалах, то принято выделять несколько основных разновидностей: консолидированные наноматериалы; нанополупроводники; нанополимеры; нанобиоматериалы; фуллерены и нанотрубки; наночастицы и нанопорошки; нанопористые материалы; супрамолекулярные структуры;
Консолидированные материалы – компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.
Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н. Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формы углерода – кластеров С60 и С70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991). Позволяют разробатывать очень «сильные фильтры» позволяющие производить фильтрацию чуть ли на молекулярном уровне.
Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают, в общем случае, нанотехнологической границы. Их использование облегчает построение необходимой структуры материала с заданными физическими свойствами, а так же менять конечные свойства материала. Допустим на основной материал можно наложить пленку из нано и получится поверхностная защита от чего либо.
Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые в результате так называемого не ковалентного синтеза с образованием слабых (Ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.
Резонансная проводимость – уточню на консультации. По сути при воздействии на материал чем-либо (фото, тепло, давление, напряжение) мы можем получить резкое увеличение или уменьшение проводимости. Нано технологии позволяют точно настроить или подобрать необходимую физическую характеристику зависимости от какого-либо воздействия на материал. Данное свойство активно используется в различных датчиках и сенсорах.
46. (11) Кристаллическая структура и физические особенности графена. Структура фулерена.
Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники.
Способ получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера выращенные методом химического осаждения из газовой фазы.
Кристаллическая решётка графена представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. Для такой решётки известно, что её обратная решётка тоже будет гексагональной. В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. Расстояние между ближайшими атомами углерода в шестиугольниках, составляет 0,142 нм.
Фуллере́н — молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода (форма кристаллической решетки и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Структура фуллерена близка к структуре графита, поэтому наиболее эффективный способ их получения основан на термическом испарении графита либо в результате омического нагрева графитового электрода, либо лазерного облучения. При умеренном нагреве графита происходит разрушение связей между отдельными слоями и из фрагментов, включающих шестиугольные конфигурации происходит сборка фуллеренов. Полученный угольный конденсат наряду с кластерами С-60 и С-70 содержит большое количество более легких кластеров, значительная часть которых переходит в С-60 и С-70 при выдержке в течение нескольких часов при 500-600° С, либо при более низкой температуре в неполярном растворителе.
Испарение графита должно проходить в пульсирующей струе инертного газа, в качестве которого обычно используются гелий или аргон. Атомы газа охлаждают фрагменты графита и уносят выделяющуюся при их объединении энергию.
вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами