Release Final

Цей файл створено обемженою кількістю осіб, користуючись в тому числі викладеними колегами матеріалами. Велике прохання НЕ поширювати цей файл в жодному вигляді і за жодних обставин. Він для особистого (Вашого) користування.

Шановні колеги! Вашій увазі пропонується короткий довідник з курсу «Наноматеріали та структури на їх основі, оптичні та квантові комп'ютери». Цей іспит – один з найскладніших серед усіх лекційних курсів нашого семестру через чудернацьку кількість годин та лабораторні роботи, що на нього виділені; крім того, по суті, ми складаємо іспит з одночасно двох предметів. Тому я вважаю цілком справедливим дозвіл користуватися допоміжною літературою на іспиті. Проте нам була обіцяна лише година користування матеріалами, попри те, що треба написати два питання з наноматеріалів і (в кращому випадку, кому пощастило) одне – з оптичних комп’ютерів. Тому створено цей файл.

Вцьому довіднику можна знайти деякі короткі відомості або, принаймні, посилання на літературу з деяких питань. Хоча він може стати у нагоді, не покладайтесь сліпо і бездумно на нього, користуйтесь власними знаннями, іншими джерелами і, обов’язково, головою (за призначенням).

Вразі необхідності знайти своє питання, скористайтесь вмістом на останній сторінці (перехід по посиланням здійснюється (за замовчуванням в Word) при натиснутій клавіші Ctrl) або пошуком по документу засобами Вашої програми-переглядача (в Word по Ctrl + F). Звертайте увагу на сусідні питання, особливо якщо вони стосуються однієї галузі.

Повний перелік запитань (для довідки)

Знаходьте в переліку своє питання та користуйтесь номером для пошуку, оскільки питання згруповані разом, а назви питань модифіковувались. При пошуку заключайте номер питання в дужки, наприклад (13).

1. Характерні розміри мікро- і наноматеріалів. Перехід від макродо нано-

2.Що таке магічні числа?

3.Теоретичне моделювання наночастинок.

4.Геометрична структура нанокластерів.

5.Електронна структура нанокластерів.

6.Реакційна здатність нанокластерів.

7.Магнітні кластери.

8.Оптичні властивості напівпровідникових наночастинок.

9.Фотофрагментація.

10.Кулонівський вибух.

11.Кластери інертних газів.

12.Надтекучі кластери.

13.Молекулярні кластери.

14.Синтез наночастинок. Високочастотний індукційний нагрів.

15.Хімічні методи синтезу наночастинок.

16.Термоліз.

17.Імпульсний лазерний метод отримання наночастинок.

18.Природа вуглецевого зв’язку.

19.Малі вуглецеві кластери.

20.Структура фулерену.

21.Легування фулеренових кристалів лужними металами.

22.Надпровідність фулерену.

23.Вуглецеві нанотрубки.

24.Методи отримання вуглецевих нанотрубок.

25.Структура вуглецевих нанотрубок.

26.Електричні властивості вуглецевих нанотрубок.

27.Коливальні властивості вуглецевих нанотрубок

28.Механічні властивості вуглецевих нанотрубок.

29.Польова емісія з вуглецевих нанотрубок.

30.Екранування електричного поля вуглецевими нанотрубками.

31.Вуглецеві нанотрубки для комп’ютерів.

32.Паливні елементи з вуглецевими нанотрубками.

33.Хімічні сенсори на основі вуглецевих нанотрубок.

34.Механічне зміцнення за допомогою вуглецевих нанотрубок.

35.Графен.

36.Отримання графену.

37.Кристалічна гратка графену.

38.Зонний спектр графену.

39.Властивості електронного газу в графені.

40.Можливі застосування графену.

41.Об’ємні наноструктуровані матеріали.

42.Розупорядкована твердотільна структура. Метод компактування.

43.Розупорядкована твердотільна структура. Охолодження розплаву спінінгуванням.

44.Розупорядкована твердотільна структура. Газова атомізація.

45.Механізми розрушення полікристалічних матеріалів.

46.Механічні властивості наноструктурованих матеріалів.

47.Наноструктуровані багатошарові матеріали.

48.Електричні властивості наноструктурованих матеріалів.

49.Процес тунелювання в наноструктурованих матеріалах.

50.Металічні нанокластери в оптичних стеклах.

51.Пористий кремній.

52.Наноструктуровані кристали.

53.Упорядковані структури наночастинок в цеолітах.

54.Впорядковані гратки наночастинок в колоїдних суспензіях.

55.Наноструктуровані кристали для фотоніки.

56.Які основні властивості наноматеріалів?

57.В чому проявляються квантово-розмірні ефекти в наноматеріалах?

58.Яка геометрична структура металічних нанокластерів?

59.Яка електронна структура металічних нанокластерів?

60.Як змінюється енергетична зонна діаграма металу при зменшенні кількості атомів?

61.Як змінюється реакційна здатність металів при зменшенні розмірів наночастинок?

62.При якій кількості атомів кластер починає себе вести як об’ємна речовина?

63.Як змінюються оптичні спектри поглинання при зменшенні розмірів наночастинок?

64.Що таке екситон?

65.Поясніть явище кулонівського вибуху.

66.Дайте характеристику вуглецевих зв’язків. Як відбувається їх гібридизація?

67.Описати будову фулерена.

68.Як змінює властивості фулеренів їх легування металами?

69.Навести приклади не вуглецевих шароподібних молекул.

70.Як отримують вуглецеві нанотрубки?

71.Описати основні властивості пористого кремнію

72.Технології формування пористого кремнію. Основні технологічні параметри, що впливають на його властивості.

73.Дати характеристику металічним і напівпровідниковим вуглецевим нанотрубкам.

74.Навести приклади застосування вуглецевих нанотрубок.

75.Які механізми подрібнення полікристалічних матеріалів?

76.Описати електричні властивості наночастинок.

77.Навести приклади наноструктурованих кристалів.

78.Модель желе для кластерів атомів.

79.Теорія молекулярних орбіта лей для кластерів атомів.

80.Визначення магнітного моменту в досліді Штерна-Герлаха.

81.Екситони та їх локалізація.

82.Сили Ван дер Ваальса.

83.Потенціал Ленарда-Джонса.

84.Бозе конденсація.

85.Однота багато стінні вуглецеві нанотрубки.

86.Sp –гібридизація.

87.Металічні та напівпровідникові вуглецеві нанотрубки.

88.Залежність коефіцієнту поглинання світла металевими частинками від довжини

світла.

89.Навести приклад фотонного кристалу.

90.Дисперсійні криві фотонного кристалу.

91.Хвильова, діелектрична та заборонена зони фотонного кристалу.

92. Модель вільного електрона і енергетичні зони.

93.Рівняння Холла-Петча.

94.Хімічні властивості наночастинок.

95.Оптичні властивості наночастинок.

96.Наенотехнології. Процеси зверху-вниз та знизу-вверх.

97.Подрібнення матеріалів.

98.Літографія.

99.М’яка літографія.

100.Методи осадження з газової фази.

101.Плазмове осадження. Тліючий розряд постійного струму.

102.Плазмове осадження. Магнетронне напилення.

103.Плазмове осадження. Вакуумне дугове напилення.

104.Молекулярнопроменева епітаксія (МПЕ).

105.Метал-органічна газо фазова епітаксія (МОГФЕ).

106.Колоїдні методики.

107.Методи шаблонного росту наноматеріалів.

108.Само зборка і самоорганізація.

109.Екситони.

110.Типи напівпровідників.

111.Квантові ями.

112.Квантові дроти.

113.Квантові точки.

114.Надгратки.

115.Густина електронних станів в наноструктурах.

116.Вирощування на краю відколу.

117.Електрично наведені точки та дроти.

118.Методи самозборки.

119. Модуляційне легування.

120.Квантовий ефект Холла.

121.Резонансне тунелювання.

122.Ефект зарядки.

123.Кулонівська блокада.

124.Балістичне перенесення носіїв.

125.Ефект Ааронова-Бома.

126.Міжзонне поглинання напівпровідникових наноструктурах.

127.Всерединозонне поглинання в напівпровідникових наноструктурах.

128.Процеси світловипромінювання в наноструктурах.

129.Фононне горло в квантових точках.

130.Квантово-обмежений еффект Штарка.

131.Нелінійні ефекти.

132.Інжекційні лазери.

133.Квантові каскадні лазери

134.Однофотонні джерела.

135.Біологічні мітки.

136.Оптичні запам'ятовуючі пристрої.

137.Фотонні структури.

138.Енергонезалежні елементи пам’яті з плаваючим затвором.

139.Енергонезалежні елементи пам’яті з подвійним діелектриком.

140.Нанокристалічні енергонезалежні елементи пам’яті.

141. Природа вуглецевого зв’язку.

142. Малі вуглецеві кластери.

143. Структура фулерену.

144. Легування фулеренових кристалів лужними металами.

145. Надпровідність фулерену.

146. Вуглецеві нанотрубки.

147. Методи отримання вуглецевих нанотрубок.

148. Структура вуглецевих нанотрубок.

149. Електричні властивості вуглецевих нанотрубок.

150. Коливальні властивості вуглецевих нанотрубок

151. Механічні властивості вуглецевих нанотрубок.

152. Польова емісія з вуглецевих нанотрубок.

153. Екранування електричного поля вуглецевими нанотрубками.

154. Вуглецеві нанотрубки для комп’ютерів.

155. Паливні елементи з вуглецевими нанотрубками.

156. Хімічні сенсори на основі вуглецевих нанотрубок.

157. Механічне зміцнення за допомогою вуглецевих нанотрубок.

158. Графен.

159. Отримання графену.

160. Кристалічна гратка графену.

161. Зонний спектр графену.

162. Властивості електронного газу в графені.

163. Можливі застосування графену.

164. Об’ємні наноструктуровані матеріали.

165. Розупорядкована твердотільна структура. Метод компактування.

166. Розупорядкована твердотільна структура. Охолодження розплаву спінінгуванням. 167. Розупорядкована твердотільна структура. Газова атомізація.

168. Механізми розрушення полікристалічних матеріалів.

169. Механічні властивості наноструктурованих матеріалів.

170. Наноструктуровані багатошарові матеріали.

171. Електричні властивості наноструктурованих матеріалів.

172. Процес тунелювання в наноструктурованих матеріалах.

173. Металічні нанокластери в оптичних стеклах.

174. Пористий кремній.

175. Наноструктуровані кристали.

176. Упорядковані структури наночастинок в цеолітах.

177. Впорядковані гратки наночастинок в колоїдних суспензіях.

178. Наноструктуровані кристали для фотоніки.

179. Методи отримання вуглецевих нанотрубок.

180. Електричні властивості вуглецевих нанотрубок.

181. Механічні властивості вуглецевих нанотрубок.

182. Отримання графену.

183. Зонний спектр графену.

184. Можливі застосування графену.

185. Електричні властивості наноструктурованих матеріалів.

186. Металічні нанокластери в оптичних стеклах.

187. Наноструктуровані кристали.

188. Впорядковані гратки наночастинок в колоїдних суспензіях.

189. Структура вуглецевих нанотрубок.

190. Коливальні властивості вуглецевих нанотрубок

191. Польова емісія з вуглецевих нанотрубок.

192. Кристалічна гратка графену.

193. Властивості електронного газу в графені.

194. Об’ємні наноструктуровані матеріали.

195. Процес тунелювання в наноструктурованих матеріалах.

196. Пористий кремній.

197. Упорядковані структури наночастинок в цеолітах.

198. Наноструктуровані кристали для фотоніки.

======================================

200.Оптичні комп'ютери. Просторово часові модулятори світла. Класифікація.

201.Оптичні комп'ютери. Мембранні модулятори. Мебранні комутатори.

202.Оптичні комп'ютери. Магніто-оптичні транспаранти

203.Оптичні комп'ютери. Транспаранти на основі рідких кристалів

204.Оптичні комп'ютери. Акустооптичні транспаранти

205.Оптичні комп'ютери. Принципи роботи оптичних логічних елементів на основі бістабільних структур

206.Оптичні комп'ютери. Конструкція і принцип роботи оптичного RS-тригера

207.Оптичні комп'ютери. Використання CCD матриць для оптичної обробки інформації

208.Оптичні комп'ютери. Архітектура БКБД. багато команд – багато даних

209.Оптичні комп'ютери. Аналогова обробка інформції

210.Оптичні комп'ютери. Цифрова обробка інформації

211.Оптичні комп'ютери. Операція згортки для множення матриць

212.Оптичні комп'ютери. Хвилеводні логічні елементи з керуванням напругою

213.Оптичні комп'ютери. Принцип роботи хвилеводного перемикача на основі

гелю/масла

214.Оптичні комп'ютери. Голографія для зберігання інформації. Голографічні методи розпізнавання образів

215.Оптичні комп'ютери. Асоціативна пам'ять. Відновлення образів

216.Оптичні комп'ютери. Оптичний процесор EnLight 256. Принципи роботи. Основні

параметри

217.Оптичні комп'ютери. Покоління оптичних процесорів

218.Оптичні комп'ютери. Принципи роботи self-electro-optic-effect devices - SEED.

Оптичний процесор DOC-II , його параметри

219.Оптичний процесор EnLight 256. Структура.. Основні параметри. Сфера застосуваня

220.Оптичні комп'ютери. HPOC High Performance Optoelectronic Communication.

Структура. Принципи роботи. Характеристики

221.Оптичні комп'ютери. Логічні елементи на основі оптичних підсилювачів (ОП)

222.Принципи роботи ОП. Принципи реалізації логічних елементів"

223.Фотонні кристали. Класифікація. Оптична заборонена зонаю. Логічні елементи

224.Квантові комп'ютери. Поняття про кубіти. Сплутані стани.

225.Квантові комп'ютери. Класифікація. Сфера застосування.

226.Квантові комп'ютери. Квантові ключі.

227.Квантові комп'ютери. Квантова телепортація

228.Квантові комп'ютери. Квантові комп'ютери на іонах

229.Квантові комп'ютери. Квантовий процесор D-Wave

230.Квантові комп'ютери. Квантові алгоритми

Наноматеріали

Загальні речі про наноматеріали. Квантові, розмірні ефекти.

(1) (62) Характерні розміри мікро- і наноматеріалів. Перехід від макродо нано-.

Разделение объектов по размерам весьма условно. Нанообъекты, грубо говоря, лежат в пределах 1–100 нм, объекты микроэлектроники – 1–10 мкм, между ними располагаются объекты мезатехнологии. Эффекты нанотехнологии могут частично проявляться во всех трех условных областях.

Через те, що наночастинки складаються з 106 або ще меншої кількості атомів, їх властивості відрізняються від властивостей тих же атомів, з’єднаних в об’ємній речовині.

Наприклад, кластер радіусом один нанометр містить приблизно 25 атомів, причому більшість з них знаходиться на поверхні кластера.

Визначення на основі розмірів не зовсім задовільне, оскільки воно не враховує різниці між молекулами і наночастинками.

Наприклад, гем - молекула FeC34H32O4N4, яка є основою гемоглобіну людської крові і переносить кисень до клітин, - складається з 75 атомів.

Розміри наночастинок, менші, ніж критичні довжини, які характеризують багато фізичних явищ, і надають їм унікальних властивостей, що робить їх такими цікавими для різних застосувань.

Взагалі, багато фізичних властивостей визначаються деякою критичною довжиною, наприклад характерною відстанню теплової дифузії, довжиною розсіяння, Борівським радіусом електрону і т.д. Якщо розмір наночастинки менший якої-небудь характерної довжини, можлива поява нових фізичних і хімічних властивостей.

Визначення: наночастинка - це агрегат атомів з розмірами від 1 до 100 нм, що розглядається як частина об’ємного матеріалу, але з розмірами меншими характерних довжин деяких явищ.

При якій кількості атомів кластер починає вести себе як об'ємна речовина? Для кластеру менше 100 атомів енергія іонізації, тобто енергія, необхідна для видалення з кластера одного електрона, відрізняється від роботи виходу. Роботою виходу називається енергія, необхідна для видалення електрона з об'ємної речовини.

Температура плавлення кластерів золота стає такою ж, як і у об'ємного золота, при розмірах кластера більше 1000 атомів. Середня відстань між атомами в кластері міді наближається до значення в об'ємному матеріалі при розмірах кластера близько 100 атомів. Взагалі виявляється, що різні фізичні властивості кластерів досягають значень, характерних для об'ємних матеріалів, при різних розмірах кластера.

Розміри кластера, при яких відбувається перехід до поведінки об'ємного матеріалу, виявляються залежними від вимірюваної характеристики.

В загальному, статистична фізика дає цифру 125 частинок. Це характерне число кількості частинок, зібраних докупи, вище якого властивості перестають змінюватись суттєво.

Кластери металів з 100 атомів вже виявляють більшість властивостей об'ємного зразка.

(64) (81) (109) Екситони.

Наночастки речовин, що є в звичайних умовах напівпровідниками, вивчалися особливо інтенсивно. Безліч досліджень стосується їх електронних властивостей, що пояснюється використанням таких частинок в якості квантових точок. Наночастки германію або кремнію самі по собі не є напівпровідниками. Наночастки Sin може утворюватися при лазерному випаровуванні кремнієвої підкладки в потоці гелію.

Чудовою властивістю наночастинок напівпровідникових матеріалів є різко виражена відмінність їх оптичних властивостей від властивостей об'ємного матеріалу.

Оптичні спектри поглинання істотно зсуваються в блакитну сторону (у бік зменшення довжин хвиль) при зменшенні розмірів частинок. Чому?

Ширина забороненої зони напівпровідника являє собою енергію, яка необхідна для створення електрона і дірки, що не взаємодіють один з одним. Однак негативно заряджений електрон і позитивно заряджена дірка іноді взаємодіють один з одним, утворюючи водневоподібний комплекс, який називається екситоном. Електростатична взаємодія між електроном і діркою робить енергію екситона меншою в порівнянні з вільним станом. Крім того, взаємодія електрон-дірка приводить до утворення набору рівнів енергії трохи нижче зони провідності. Дискретний спектр енергій екситона виражається формулою:

зони провідності. Енергія зв'язку екситону Еb є різницею між самим нижнім станом екситона (n = 1) і границею зони провідності (n = ). Крім станів, що утворилися під зоною провідності, є їх аналог у вигляді станів трохи вище валентної зони, так зване розширення Зоммерфельда. На екситонних станах може відбуватися поглинання.

Однак через те, що енергія зв'язку екситона в GaAs всього лише 4,2 меВ, теплового руху при кімнатній температурі (kВT = 25 меВ) більш ніж достатньо, щоб іонізувати більшу частину екситонів. Отже, тут, а так само як і в більшості напівпровідників при кімнатній температурі, вплив екситонів відсутній або несуттєвий.

Пов'язана електрон-діркова пара, названа екситоном, в об'ємному напівпровіднику може утворитися під дією фотона з енергією більшою ширини щілини (забороненої зони) для даної речовини. Фотон збуджує електрон із заповненої зони в вищерозміщену незаповнену. У результаті утворюється дірка в раніше заповненій валентній зоні, що відповідає електрону з позитивним ефективним зарядом. Через кулонівського притягання між позитивною діркою і негативним електроном утворюється пов'язана пара, звана екситоном, яка може переміщатися по кристалу.

Спектр оптичного поглинання воднево-подібних Спектри поглинання об'ємного GaAs при низькій переходів екситону в Cu2O. температурі і при кімнаній. Зсув енергій між двома спектрами обумовлений зміною ширини забороненої зони з ростом температури. На вставці показана густина станів з екситонами і без

них.

Електрон і дірка знаходяться на відстані багатьох параметрів гратки. Присутність екситонів робить сильний вплив на електронні властивості напівпровідників і їх оптичне поглинання. Екситон можна розглядати як воднеподібний атом, структура рівнів енергії якого аналогічна атому водню, але з меншим масштабом по енергіях. Викликані світлом переходи між цими воднеподібних рівнями призводять до серій ліній у спектрі поглинання, які можна нумерувати за головним квантовим числах рівнів атома водню.

Особливо цікавим виявляється те, що відбувається при зменшенні масштабів наночастинок до розмірів, менших або порівнянних з радіусом електрон-діркової пари. Можливі дві ситуації, звані режимами слабкої і сильної локалізації. У режимі слабкої локалізації радіус частинки більший радіусу екситона, але область переміщення екситона обмежена, що призводить до зміщення спектру поглинання в блакитну сторону. Коли радіус частинки менший радіуса орбіти електрон-діркової пари, рух електрона і дірки стають незалежними і екситон перестає існувати.

(2) (3) (78) (79) Моделювання нанокластерів. Модель желе для кластерів атомів, магічні числа. Модель молекулярних орбіталей.

Вбольшинстве современных теоретических подходов используется модель желе, суть которой состоит в том, что кластер, содержащий N атомов, принято рассматривать как две квазинезависимые подсистемы: систему валентных электронов и систему положительных ионов остова. Обобществленные валентные электроны движутся в среднем поле, создаваемом всеми ионами кластера. В первом приближении можно не учитывать сложную ионную структуру кора (атомного ядра кластера), заменив положительные ионы остова усредненным фоном нескомпенсированного заряда, считая его распределение n(r) однородным и сферически-симметричным.

Вмоделі желе кластер атомів розглядається як один великий атом. Позитивний заряд ядра кожного атому кластера вважається рівномірно розподіленим по кулі з об’ємом, що дорівнює об’єму кластера. Таким чином, енергетичні рівні кластера можуть бути отримані шляхом рішення рівняння Шредінгера для описаної системи аналогічно тому, як це робиться для атому водню.

Электронные магические числа соответствуют полному количеству электронов суператома, при которых верхний энергетический уровень заполнен до конца. Заметим, что порядок уровней в модели желе отличается от такового в атоме водорода. В этой модели магические числа соответствуют кластерам с такими размерами, при которых все уровни, на которых есть электроны, заполнены до конца.

Альтернативная модель, используемая для вычисления свойств кластеров, рассматривает их как молекулы и применяет для вычислений существующие теории молекулярных орбиталей, такие как теория функционалов плотности. Этот подход можно использовать для вычисления реальной геометрической и электронной структуры маленьких металлических кластеров.

Установка для отримання наночастинок металів лазерним

випаровуванням атомів з поверхні. Для вивчення хімічної Мас-спектр кластерів свинцю. взаємодії наночастинок з газами можливе введення

різних газів, наприклад кисню.

Максимальний потенціал іонізації мають атоми шляхетних газів 2He, 10Ne і оскільки в них зовнішні s і p орбіталі заповнені.

Піки спостерігаються для кластерів, що мають два і вісім атомів. Ці числа називаються електронними магічними числами. В цьому випадку кластери більш стабільні ніж кластери інших розмірів.

Наявність електронних магічних чисел дає змогу розглядати кластери як суператоми, що і обумовило появу для кластерів «моделі желе».

Електронні магічні числа атомів (атомна фізика, потенціал йонізації залежить від