Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Физика»

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ

Том 1

КРИСТАЛЛЫ

Учебное пособие

Под редакцией А.В. Сюй

Рекомендовано

Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия для всех инженерно-технических специальностей

Хабаровск

Издательство ДВГУПС

2008

УДК 538.9(075.8)

ББК В 371.23 я73

О 627

Рецензенты:

Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и технология новых материалов»

Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

В.А. Ким

Доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника»

Тихоокеанского государственного университета

В.В. Корчевский

О 627

Оптические свойства наноматериалов. Т. 1. Кристаллы : учеб. пособие / под ред. А.В. Сюй. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2008.– 159 с. : ил.

Учебное пособие соответствует ГОС ВПО направления дипломированных специалистов для всех инженерно-технических специальностей.

В учебное пособие включены основные законы, положения и формулы традиционных и альтернативных представлений по основным вопросам оптики.

Предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности 01.04.05 «Оптика».

Учебное пособие подготовил коллектив кафедры «Физика» под общей редакцией к.ф.-м.н., доц. А.В. Сюй: введение, гл. 1, 2 – д.ф.-м.н., проф. В.И. Строгановым; гл. 3 – к.ф.-м.н., доц. А.В. Сюй; гл. 4 и приложение – к.ф.-м.н., доц. В.В. Криштопом; гл. 5 – к.ф.-м.н., доц. В.А. Максименко.

Учебное пособие разработано в рамках инновационно-образова­тель­­ной программы «Инновационный научно-образовательный транспортный комплекс на Дальнем Востоке России».

УДК 538.9(075.8)

ББК В 371.23 я73

© ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС), 2008

Введение

По прогнозам большинства экспертов, именно развитие нанотехнологий определит облик 21 столетия. В настоящее время это весьма обширная область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук [1].

По словам лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова, под «золотым веком» следует понимать такой этап развития нанотехнологий, на котором элементарными кирпичиками для строительства любого вещества являются атомы и молекулы и какое-либо «изделие» с размерами наномасштаба может быть собрано с атомной точностью. Нанотехнологии такого уровня пока имеются, как правило, лишь в отдельных научных лабораториях.

Чтобы двигаться в ногу с развитыми странами, основное внимание должно быть сосредоточено на фундаментальных исследованиях. От будущих нанотехнологов потребуется умение мыслить категориями, существенно отличающимися от обычных представлений, на которых основана классическая физика. Это потребует серьезной перестройки инженерного образования с упором на фундаментальные дисциплины.

В советские годы уровень фундаментальных исследований более или менее соответствовал международному. Одно из свидетельств тому – Нобелевская премия по физике 2000 года «за разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной оптоэлектронике». Благодаря Государственной программе СССР «Высокотемпературная сверхпроводимость» ведущие научные лаборатории были оснащены первоклассными отечественным и импортным оборудованием, которое использовалось и при выполнении исследований в области нанотехнологий. Поэтому к началу 90-х годов минувшего века в России сложились высококвалифицированные коллективы, работавшие в области нанотехнологий.

Этот потенциал удалось, в целом, сохранить. Комплексные исследования в области наноструктур и нанотехнологий и их целевое государственное финансирование начались в 1992 году с организации Миннауки России Государственной программы «Перспективные технологии и устройства микро-и наноэлектроники». С 1993 года начала действовать межведомственная научно-техническая программа фундаментальных исследований «Физика твердотельных наноструктур».

В 2001 году заработали программы фундаментальных исследований Президиума РАН, нанотехнологии были представлены в программе «Низкоразмерные квантовые структуры» и в ряде других программ. Разделы, посвященные нанотехнологиям, появились в программах фундаментальных исследований отделений РАН.

Летом 2007 года при Президиуме РАН была создана Комиссия по нанотехнологиям, в которую вошли известные ученые, ведущие специалисты по различным направлениям этой широкой области исследований и технологий. В комиссии организованы шесть секций: физики наноструктур, наноэлектроники, наноматериалов, нанобиотехнологий, нанодиагностики, образования. В работе секции принимают участие и ученые, не являющиеся членами комиссии, но активно работающие в области нанотехнологий. Бюро комиссии выработало единый научный и методологический подход к формированию программы, особо важный для исследований междисциплинарного характера. Выбор основных направлений исследований основывался на современных достижениях и тенденциях развития мировой науки, значимости ожидаемых результатов и перспектив их практического использования с учетом задела, имеющегося в российских научных организациях.

Комиссия сформировала шесть основных разделов программы:

Физика наноструктур содержит следующие подразделы: электронные состояния и квантовый транспорт; неравновесные электронные состояния и коллективные явления; нанофотоника; спинтроника; сверхпроводимость и низкие температуры; физические основы технологий квантовых наноструктур; наноуглеродные материалы.

Наноэлектроника включает в себя пять подразделов: элементы, устройства и функциональные системы наноэлектроники; физические принципы и создание нового поколения устройств наноэлектроники; развитие технологий, создание технологического оборудования, получение материалов наноэлекторники; разработка методов диагностики и создание диагностического оборудования; разработка методов вычислительного моделирования в наноэлектронике и создание инфраструктуры суперкомпьютерных вычислений.

Наноматериалы. Здесь содержится четыре подраздела: конструкционные наноматериалы со специальными свойствами; функциональные наноматериалы (катализаторы, сорбенты, мембраны, полимеры); энергонасыщенные наноматериалы; наноматериалы для электроники, магнитных систем и оптики.

Нанобиотехнологии. Раздел состоит из пяти подразделов: наноконструирование биологических узнающих систем (нанодетекция и диагностика); наноконструирование новых лечебных препаратов (нанолекарства); наноконструирование иммуногенов, мини-антител, наноантител (нановакцины); трансгенное наноконструирование замещающих систем и регуляторных компонентов тела (нанобиотика).

Нанодиагностика включает в себя пять подразделов: методы с использованием рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и частиц; зондовая и электронная микроскопия, электронография; оптическая микроскопия и спектроскопия; физические и физико-химические методы; нанометрология.

В подразделе Образование к настоящему времени детально проработаны направления, связанные с подготовкой специалистов различной квалификации в области нанотехнологий.

Приведем несколько примеров результатов фундаментального и прикладного характера, полученных российскими учеными и разработчиками за последние годы. В области физики наноструктур и наноэлектроники отметим получение листов графена (монослой графита) и исследование его электронных свойств, показавшее, что носители заряда в графене обладают нейтриноподобным электронным спектром (ИПТМ РАН); первое надежное наблюдение бозе – эйнштейновской конденсации пространственно непрямых экситонов в двухъямных наноструктурах (ИФТТ РАН); разработку так называемой принц–технологии и создание нового класса периодических наноструктур для квантовых приборов (ИФП СО РАН); разработку межпороговых полупроводниковых инжекционных лазеров рекордной мощности на основе ассиметричных гетероструктур и светодиодов белого света (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), матричных фотоприемников ИК излучения и микроволновых полевых транзисторов (ИФП СО РАН), широкодиапазонных магниторезистивных сенсоров ИФМ УрО РАН). В области наноматериалов – разработку высокоресурсных углепластиков со специальными свойствами, содержащих функциализированные наночастицы фуллерена и астралена, использование которых в самолетах нового поколения повысит различные эксплуатационные характеристики на 20–100 % (ВИАМ, ИПХФ РАН, ИНХ СО РАН); разработку катализаторов на основе наночастиц золота нанесенных на оксид алюминия, для решения проблемы «холодного старта» – дожигания выхлопных газов автомобильных двигателей (ИК СО РАН). В области нанобиотехнологий и медицинской диагностики–разработку и создание нановакцины от гриппа «гриппол» (ИБХ РАН, ГНЦ Институт иммунологии ФМБА, НПО «Петровакс», ГУП «Микроген»), которая за 2004–2007 годы привита 70 млн. человек; разработку методики получения рентгеновских рефракционных изображений мягких тканей человека (РНЦ «Курчатовский институт»).

Стратегическая задача – вывести страну на ведущие позиции в наноиндустрии.

Уже сегодня начался активный раздел мирового нанотехнологического рынка, который завершится где-то к 2015 году. Россия должна обрести в ней свою нишу [1–13].

Конкретные шаги по реализации данных задач заложены в Программу развития наноиндустрии в РФ до 2015 года, проект которой разработало Минобрнауки. Ее стратегическая цель – высокотехнологического сектора наноиндустрии. Результаты ожидаются в таких областях, как обеспечение обороноспособности, технологической безопасности и экономической независимости государства, повышение качества жизни населения.

В ходе реализации программы в стране должен быть сформирован интегрированный саморазвивающийся комплекс производственных, научных, образовательных и финансовых организаций различных форм собственности, основной деятельностью которых будет создание наукоемкой продукции с высоким уровнем добавленной стоимости и ранее не достижимыми технико-экономическими показателями.