книги / Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение
.pdfНАНОСТРУКТУРЫ и НАНОМАТЕРИАЛЫ
Синтез, свойства и применение
Гочжун Цао
Ин Ван
Перевод с английского 2-го издания канд. физ.-мат. наук А.И. Ефимова доктор хим. наук С.И. Каргов
Научный редактор русского издания канд. физ.-мат. наук В.Б. Зайцев
НАУЧНЫЙ МИР
2012
научно-образовательный центр по нанотехнологиям
МГУ имени М.В. Ломоносова
М О СКО ВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ Й У Н И ВЕРСИ ТЕТ ИМ ЕНИ М .В . ЛО М О Н О СО ВА
НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
исследования и разработки
О
РОСНАНО |
Издание осуществлено при поддержке |
|
ФОНД ИНФРАСТРУКТУРНЫХ |
Фонда инфраструктурных и образовательных программ |
|
И ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ |
||
|
УДК 082.1; 539-022.532 ББК 94.3; 620.3
Ц 12
Серия: Фундаментальные основы нанотехнологий: исследования иразработки
Главный редактор серии: академик А.Р. Хохлов Ответственный редактор: канд. физ.-мат. наук А.В. Чертович Редакционная коллегия:
Антипов Евгений Викторович, профессор химического факультета МГУ; Гудилин Евгений Алексеевич, профессор факультета наук о материалах МГУ; Клячко Наталья Львовна, профессор химического факультета МГУ; Образцов Александр Николаевич, профессор физического факультета МГУ
Цао Гочжун, Ин Ван
Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение / Пер. с англ. 2-го издания А.И. Ефимова, С.И. Каргов; науч. ред. русс. изд. В.Б. Зайцев. - М.: Научный мир, 2012. - 520 с., 4 с. цв. ил. - (Фундаментальные основы нанотехно логий: исследования и разработки).
ISBN: 978-5-91522-224-2
Книга Г. Цао и Ин Ван «Наноструктуры и наноматериалы: синтез, свойства и приме нение» является обобщением фундаментальных принципов и технологических подходов к синтезу, изготовлению и обработке наноструктур и наноматериалов. Она предоставляет читателям систематический, всеобъемлющий обзор материала по нанотехнологии - бурно развивающемуся симбиозу фундаментальных научных исследований и технологии про ектирования и изготовления наноструктур и наноматериалов - и применению наномате риалов и наноструктур. Подробность подачи материала и сочетание изложения фундамен тальных физическо-химических основ процессов с рассмотрением конкретных техноло гий и технических приложений делает книгу привлекательной как для специалистов, так и для новичков в данном предмете.
Copyright © 2011 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. All rights reserved. This book, orparts thereof, may not be reproduced in anyform or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, re cording or any information storage and retrieval system now known or to be invented, without writtenpermis sionfrom the Publisher.
Russian translation arranged with WorldScientific Publishing Co. Pte Ltd., Singapore.
В се права защ ищ ены . Никакая часть настоящ ей книги не м ож ет быть воспроизведена или передана в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или м ехани ческие, включая фотокопирование и запись на магнитный носитель, а также размещ ение в И нтерне те, если на то нет письменного разреш ения правообладателя.
ISBN: 978-5-91522-224-2 © Ефимова А.И., Каргов С.И., перевод
на русский язык, 2012 © Научный мир, издание на русском
языке, оформление, 2012
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Мы рады публикации настоящего второго издания в издательстве World Scientific Publishing Со. Первое издание вышло в момент бурного развития нано технологии, и этот процесс продолжается. Основной целью данного нового изда ния было сохранение характерных особенностей первого издания и вопросов, рас смотренных в нем: обобщения фундаментальных принципов и технологических подходов к синтезу, изготовлению и обработке наноструктур и наноматериалов, для того чтобы предоставить читателям систематический и согласованный обзор и послужить общим вводным курсом для начинающих знакомиться с данным пред метом и для специалистов, интересующихся информацией в смежных областях.
Новое издание отличается некоторыми поясняющими смысл исправлениями, включая замену слов и изменение некоторых параграфов. Обновления касаются в большей степени глав 3,4, 6 и 9. Обновленная информация по синтезу наночастиц и наноструктур «ядро в оболочке» включена в главу 3. Обзор по синтезу и свой ствам неорганических нанотрубок (помимо углеродных нанотрубок) был добавлен в главу 4. Глава 6 была обновлена за счет добавления информации по синтезу мезопористых материалов и подразделов по инвертированным опалам и биоиндуцированным материалам. Глава 9 претерпела самое большое расширение за счет добавления информации по применению наноструктур и наноматериалов в литийионных аккумуляторах, хранению водорода, термоэлектричеству, взаимодействию с окружающей средой, фотонным кристаллам и плазмонным устройствам. Другие обновления и исправления заключаются в замене рисунков в главах 1,5 и 8.
Мы хотим воспользоваться предоставленной нам возможностью и поблагода рить за поддержку читателей со всего мира и выразить особую признательность тем, кто указал на наши опечатки, упущения и неясности в первом издании. Мы сделали все возможное, чтобы внести в текст все исправления и улучшить изло жение материала во втором издании. Однако очевидно, что мы не могли включить все важные темы и все новые достижения в области наноструктур и наноматериа лов в эту книгу.
Мы хотим выразить благодарность за помощь и поддержку, полученную от на ших коллег, студентов, друзей и любимых членов семей. Мы признательны Чуан Цаю и Дуншен Гуаню за подготовку рисунков и оформление авторских прав.
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие ко второму изданию......................................................................... |
5 |
Глава 1. Введение ........................................................................................... |
11 |
1.1. Вступление ................................................................................................. |
11 |
1.2. Появление нанотехнологии....................................................................... |
14 |
1.3. Подходы «снизу вверх» и «сверху вниз»................................................ |
18 |
1.4. Основные проблемы нанотехнологии..................................................... |
19 |
1.5. Чему посвящена эта книга........................................................................ |
22 |
Литература ................................................................................................ |
24 |
Глава 2. Физическая химия поверхности твердых тел.............................. |
26 |
2.1. Введение ..................................................................................................... |
26 |
2.2. Поверхностная энергия............................................................................. |
28 |
2.3. Химический потенциал как функция поверхностной кривизны...... |
38 |
2.4. Электростатическая стабилизация.......................................................... |
43 |
2.4.1. Поверхностная плотность заряда.................................................. |
43 |
2.4.2. Электрический потенциал вблизи поверхности |
|
твердого тела..................................................................................... |
45 |
2.4.3. Потенциал притяжения Ван-дер-Ваальса.................................... |
47 |
2.4.4. Взаимодействие между двумя частицами: теория ДЛФО........ |
50 |
2.5. Стерическая стабилизация........................................................................ |
54 |
2.5.1. Растворитель и полимер.................................................................. |
55 |
2.5.2. Взаимодействия между полимерными слоями........................... |
57 |
2.5.3. Смешанные стерические и электрические взаимодействия..... |
60 |
2.6. Заключение ................................................................................................ |
60 |
Литература ................................................................................................ |
61 |
Глава 3. Нульмерные наноструктуры: наночастицы................................ |
63 |
3.1. Введение ............................................................................................. |
63 |
3.2 Формирование наночастиц посредством гомогенной нуклеации...... |
64 |
3.2.1. Основы гомогенной нуклеации...................................................... |
65 |
3.2.2. Доращивание частиц после нуклеации........................................ |
70 |
Содержание |
7 |
3.2.3. Синтез металлических наночастиц............................................... |
75 |
3.2.4. Синтез полупроводниковых наночастиц...................................... |
91 |
3.2.5. Синтез оксидных наночастиц......................................................... |
98 |
3.2.6. Реакции в газовой фазе.................................................................... |
105 |
3.2.7. Сегрегация твердой фазы................................................................. |
106 |
3.3. Формирование наночастиц посредством гетерогенной нуклеации.. 110 |
|
3.3.1. Основы гетерогенной нуклеации.............................................. |
110 |
3.3.2. Синтез наночастиц.............................. |
112 |
3.4. Кинетически-ограниченный синтез наночастиц................................. |
114 |
3.4.1. Синтез в мицеллах или в микроэмульсиях.................................. |
114 |
3.4.2. Аэрозольный синтез......................................................................... |
116 |
3.4.3. Прекращение роста.......................................................................... |
117 |
3.4.4. Пиролиз аэрозолей............................................................................ |
118 |
3.4.5. Матричный (темплатный) синтез................................................... |
119 |
3.5. Эпитаксиальные наночастицы «ядро в оболочке»............................... |
119 |
3.6. Заключение ................................................................................................. |
122 |
Литература............................................................................................................ |
123 |
Глава 4. Одномерные наноструктуры:нанонити инаностержни.............. |
131 |
4.1. Введение ................................................................................................. |
131 |
4.2. Самопроизвольный рост........................................................................... |
133 |
4.2.1. Рост в результате испарения (растворения) - конденсации.... |
133 |
4.2.2. Рост по механизму «пар-жидкость-кристалл» (ПЖК) |
|
или «раствор-жидкость-кристалл» (РЖК).................................. |
148 |
4.2.3. Рекристаллизация под действием напряжения............................ |
164 |
4.3. Матричный (темплатный) синтез............................................................. |
164 |
4.3.1. Электрохимическое осаждение...................................................... |
165 |
4.3.2. Электрофоретическое осаждение.................................................. |
176 |
4.3.3. Заполнение матриц........................................................................... |
181 |
4.3.4. Преобразование с помощью химических реакций..................... |
186 |
4.4. Электроформование волокон.................................................................... |
189 |
4.5. Литография ................................................................................................. |
191 |
4.6. Заключение ................................................................................................. |
195 |
Литература............................................................................................................ |
195 |
Глава 5. Двумерные наноструктуры:тонкие пленки.................................... |
203 |
5.1. Введение ................................................................................................ |
203 |
5.2. Основы роста пленок................................................................................. |
204 |
5.3. Вакуумные технологии............................................................................. |
209 |
5.4. Физическое осаждение из газовой фазы............................................... |
213 |
5.4.1. Испарительное осаждение.............................................................. |
213 |
5.4.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия.................................................... |
215 |
5.4.3. Распылительное осаждение............................................................ |
217 |
8 |
Содержание |
|
|
|
|
|
5.4.4. Сравнение методов испарительного и распылительного |
|
|||
|
осаждения........................................................................................... |
|
|
|
219 |
|
5.5. Химическое осаждение из газовой фазы............................................... |
|
|
220 |
|
|
5.5.1. Обычно используемые химические реакции.............................. |
|
|
220 |
|
|
5.5.2. Кинетика реакций............................................................................. |
|
|
|
221 |
|
5.5.3. Явления переноса............................................................................. |
|
|
|
222 |
|
5.5.4. Методы химического осаждения из газовой фазы..................... |
|
225 |
||
|
5.5.5. Формирование алмазных пленок методом |
|
|
|
|
|
химического осаждения из газовой фазы..................................... |
|
|
229 |
|
|
5.6. Осаждение атомных слоев........................................................................ |
|
|
|
231 |
|
5.7. Сверхрешетки.............................................................................................. |
|
|
|
236 |
|
5.8. Самосборка ................................................................................................ |
|
|
|
239 |
|
5.8.1. Монослои кремнийорганических соединений |
|
|
|
|
|
или производных алкилсиланов.................................................... |
|
|
241 |
|
|
5.8.2. Монослои алкантиолови сульфидов............................................ |
|
|
243 |
|
|
5.8.3. Монослои карбоксильных кислот, аминов и спиртов............... |
|
246 |
||
|
5.9. Пленки Ленгмюра-Блоджетт.................................................................... |
|
|
|
247 |
|
5.10. Электрохимическое осаждение............................................................. |
|
|
|
251 |
|
5.11. Золь-гель пленки....................................................................................... |
|
|
|
253 |
|
5.12. Заключение................................................................................................ |
|
|
|
258 |
|
Литература ................................................................................................ |
|
|
|
258 |
Глава 6. Примеры наноматериалов......... |
— ...—...—......... |
—.......... |
------ |
....264 |
|
|
6.1. Введение ................................................................................................ |
|
|
|
264 |
|
6.2. Углеродные фуллерены и нанотрубки.................................................... |
|
|
264 |
|
|
6.2.1. Углеродные фуллерены................................................................... |
|
|
|
265 |
|
6.2.2. Кристаллы фуллеренов................................................................... |
|
|
|
267 |
|
6.2.3. Углеродные нанотрубки.................................................................. |
|
|
|
267 |
|
6.3. Микро- и мезопористые материалы........................................................ |
|
|
274 |
|
|
6.3.1. Упорядоченные мезопористые структуры................................... |
|
|
274 |
|
|
6.3.2. Неупорядоченные мезопористые структуры.............................. |
|
|
283 |
|
|
6.3.3. Кристаллические микропористые материалы: цеолиты........... |
288 |
|||
|
6.4. Структуры «ядро в оболочке»................................................................. |
|
|
|
297 |
|
6.4.1. Структуры металл-оксид................................................................ |
|
|
|
297 |
|
6.4.2. Структуры металл-полимер........................................................... |
|
|
|
300 |
|
6.4.3. Структуры оксид-полимер............................................................. |
|
|
|
301 |
|
6.5. Органо-неорганические гибриды............................................................ |
|
|
|
303 |
|
6.5.1. Гибриды 1 класса.............................................................................. |
|
|
|
303 |
|
6.5.2. Гибриды 2 класса.............................. |
|
|
|
304 |
|
6.6. Интеркаляционные соединения............... |
|
|
|
306 |
|
6.7. Нанокомпозиты и нанозернистые материалы....................................... |
|
|
308 |
|
|
6.8. Инвертированные опалы........................................................................... |
|
|
|
311 |
|
6.9. Биоиндуцированные наноматериалы...................................................... |
|
|
314 |
|
Содержание |
9 |
6.10. Заключение.............................................................................................. |
315 |
Литература ................................................................................................ |
316 |
Глава 7. Наноструктуры, изготовленные физическими методами......... |
327 |
7.1. Введение ................................................................................................ |
327 |
7.2. Литография ................................................................................................ |
328 |
7.2.1. Фотолитография................................................................................ |
329 |
7.2.2. Фотолитография с фазовым сдвигом............................................ |
333 |
7.2.3. Электронно-лучевая литография................................................... |
335 |
7.2.4. Рентгеновская литография.............................................................. |
336 |
7.2.5. Литография с использованием сфокусированного |
|
ионного пучка................................................................................... |
338 |
7.2.6. Литография на нейтральных атомных пучках............................ |
341 |
7.3. Наноманипуляции и нанолитография..................................................... |
343 |
7.3.1. Сканирующая туннельная микроскопия...................................... |
343 |
7.3.2. Атомно-силовая микроскопия........................................................ |
346 |
7.3.3. Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия......... |
348 |
7.3.4. Наноманипуляции............................................................................. |
350 |
7.3.5. Нанолитография................................................................................ |
355 |
7.4. Мягкая литография..................................................................................... |
360 |
7.4.1. Микроконтактная печать................................................................. |
361 |
7.4.2. Литье ................................................................................................ |
362 |
7.4.3. Наноимпринт...................................................................................... |
364 |
7.4.4. Перьевая нанолитография............................................................... |
367 |
7.5. Сборка наночастиц и нанонитей............................................................. |
367 |
7.5.1. Силы, обусловленные капиллярными явлениями...................... |
369 |
7.5.2. Дисперсионные взаимодействия.................................................... |
371 |
7.5.3. Сборка под действием сил сдвигового течения.......................... |
372 |
7.5.4. Сборка в электрическом поле......................................................... |
373 |
7.5.5. Ковалентно-связанная сборка......................................................... |
373 |
7.5.6. Сборка в гравитационном поле...................................................... |
374 |
7.5.7. Темплатная сборка............................................................................ |
374 |
7.6. Другие методы изготовления микрообъектов....................................... |
376 |
7.7. Заключение ................................................................................................ |
376 |
Литература ................................................................................................ |
377 |
Глава 8. Диагностика наноматериалов и их свойства................................. |
385 |
8.1. Введение ................................................................................................ |
385 |
8.2. Диагностика структуры............................................................................. |
386 |
8.2.1. Дифракция рентгеновских лучей................................................... |
386 |
8.2.2. Малоугловое рентгеновское рассеяние........................................ |
389 |
8.2.3. Сканирующая электронная микроскопия..................................... |
393 |
8.2.4. Просвечивающая элерронная микроскопия.............................. |
395 |
10 |
Содержание |
|
|
8.2.5. Сканирующая зондовая микроскопия.......................................... |
396 |
|
8.2.6. Газовая адсорбция............................................................................ |
400 |
|
8.3. Химическая диагностика.......................................................................... |
402 |
|
8.3.1. Оптическая спектроскопия............................................................. |
402 |
|
8.3.2. Электронная спектроскопия........................................................... |
406 |
|
8.3.3. Ионная спектроскопия.................................................................... |
408 |
|
8.4. Физические свойства наноматериалов.................................................. |
410 |
|
8.4.1. Точки плавления и постоянные решетки...................................... |
411 |
|
8.4.2. Механические свойства................................................................... |
415 |
|
8.4.3. Оптические свойства........................................................................ |
420 |
|
8.4.4. Электропроводность......................................................................... |
430 |
|
8.4.5. Сегнетоэлектрики и диэлектрики................................................. |
439 |
|
8.4.6. Суперпарамагнетизм........................................................................ |
441 |
|
8.5. Заключение ................................................................................................ |
443 |
|
Литература ................................................................................................ |
445 |
Глава 9. Применение наноматериалов............................................................ |
452 |
|
|
9.1. Введение...................................................................................................... |
452 |
|
9.2. Молекулярная электроника и наноэлектроника................................... |
453 |
|
9.3. Наноботы..................................................................................................... |
455 |
|
9.4. Биологическое применение наночастиц................................................ |
456 |
|
9.5. Золотые частицы - катализаторы............................................................ |
457 |
|
9.6. Квантовые устройства, использующие инженерию |
|
|
запрещенной зоны..................................................................................... |
458 |
|
9.6.1. Устройства на квантовых ямах....................................................... |
459 |
|
9.6.2. Устройства на квантовых точках................................................... |
460 |
|
9.7. Наномеханика.............................................................................................. |
462 |
|
9.8. Излучатели на основе углеродных нанотрубок.................................... |
464 |
|
9.9. Применение наноматериалов в энергетике........................................... |
466 |
|
9.9.1 Фотоэлектрохимические ячейки..................................................... |
466 |
|
9.9.2. Литий-ионные аккумуляторы............... |
469 |
|
9.9.3. Хранение водорода........................................................................... |
473 |
|
9.9.4. Термоэлектрики................................................................................ |
476 |
|
9.10. Применения наноматериалов для охраны окружающей среды...... |
479 |
|
9.11. Фотонные кристаллы и плазменные волноводы................................ |
480 |
|
9.11.1. Фотонные кристаллы..................................................................... |
480 |
|
9.11.2. Плазмонные волноводы................................................................ |
482 |
|
9.12. Заключение................................................................................................ |
483 |
|
Литература........................................................................................................... |
483 |
|
Приложения......................................................................................................... |
494 |
|
Предметный указатель...................................................................................... |
500 |
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Вступление
Нанотехнология - это технология, которая имеет дело со структурами или материалами малых размеров. Характерные размеры наноструктур находятся в диапазоне от нескольких сотен нанометров до менее одного нанометра. Один на нометр (нм) - это одна миллиардная часть метра, или 10“9 м. Рис. 1.1 представ ляет неполный список нульмерных наноструктур и характерные диапазоны их размеров [1,2]. Один нанометр приблизительно равен протяженности 10 атомов водорода или 5 атомов кремния, выстроенных в ряд. Малые размеры структур позволяют достичь большей функциональности на заданном объеме, но нанотех нология - это не просто продолжение миниатюризации от микрометрового диа пазона далее до нанометрового масштаба. Материалы микрометровой величины в основном обладают такими же физическими свойствами, как и их объемные фазы, однако физические свойства материалов нанометровых размеров могут зна чительно отличаться от объемных. Материалы этого диапазона размеров облада ют некоторыми удивительными особенными свойствами; в этом диапазоне проис ходит переход от атомов или молекул к объемной форме. Например, у кристаллов нанометровых размеров понижается точка плавления (различие может достигать 1000°С) и уменьшаются постоянные решетки, так как число поверхностных ато мов или ионов начинает составлять значительную долю от общего числа атомов или ионов, а поверхностная энергия играет важную роль в термической устойчи вости. Кристаллические структуры, стабильные при повышенных температурах, при нанометровых размерах устойчивы до намного меньших температур; таким образом, тогда, когда материалы сокращаются до нанометровых размеров, ферро электрики и ферромагнетики могут терять свои ферроэлектрические и ферромаг нитные свойства. Тогда, когда характерный размер достаточно мал (в районе не скольких нанометров), объемные полупроводники становятся диэлектриками. На-