Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Ең алғашқы транзисторды Бардин, Браттейн және Шокли 1947 жилы фасады, ал осы табысы үшін оларға физика саласынан Нобель премиясы 1956 жилы берілді. Бірінші микросхеманы Texas Instruments компаниясында Джек Килби мен Роберт Нойс 1958 жилы жасаған, ал Нобель премия сын олар осы үшін 2000 жила ғана аллоды. Бірінші транзистор жасалған уақыттан бастап, шалаөткізгіштік техниканың қарқынды дамуы басталлоды. Сол даму процессінің барысында кремний ден жасалған құрылғылардың өлшемдері ылғи кішірейтіліп келді (интеграллодық схемалар, үлкен интеграллодық схемалар, асқынүлкен интеграллодық схемалар және әрі қарай). Басқа жағынан магниттік және оптикалық есте сақтау құрылғыларының жилдамдығы мен жазылатын ақпарат көлемі ылғи өсіп отряды. Сонымен 20-шы ғасырдың екінші жартысында кремний технологиялары өте қарқынды дамы. Микроэлектрониканың дамуы. Наноматериалдардың түрлері, алу әдістері мен қолданулары (3-4 дәрістер)

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Техникалық құрылғылар мен олардың элементтерінің өлшемдерін кішірейту жаңа технологияларды жасаудың және жалпы техникалық прогрестің негізгі себебі болып келеді. Инженерлер мен ғалымдар техникалық элементтердің шамаларын кішірейтуге, сонымен бірге жүйенің функционаллодығын және қолдану қолайлығын арттыруға тырысады. Мысалы, микроэлектроника да элементтердің өлшемдері азайған сайын, олардың функционаллодығы арттады. Қазіргі компьютерлер шапшаңдығын арттыру үшін кіретін сигналдардың өтуін және өңдеуін қамтамасыз ететін электрлік тізбектердің өлшемін кішірейту керек. Микросхемалардың өлшемдерін кішірейту процессі Мур заңы деп аталатын белгілі эмпирикалық заңға бағынады жилдың сәуір айында Electronics (vol. 39, 8) журналында Гордон Мурдың «Интеграллодық схема лорда компоненттердің көбірек санин біріктіру» деп аталатын мақаласы жарияланды. Ода келешек Intel корпорациясының негізін құраушысы микроэлектроника саласының аллодынғы онжилдықта дамуын болжады. Оның айтуынша электрондық микросхемалар кристалл дарында орналастырылатын элементтердің саны 18 ай сайын екі эссе артып отрады (1-сур).

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Мур заңы басқа салехарда болмаған шалаөткізгіштік индустрия дамуының ғажайып шапшаңдығын көрсетеді. Қазіргі бүкіләлемдік экономика осы саланың шапшаң өркендеуіне сүйенеді, өйткені компьютерсіз экономиканың мұндай дамуы мүмкін емс. Бұл заң жарияланған кезде микроэлектроника енді-енді дамы бастаған және 1965 жилы ең күрделі микросхемада бар-жоғы 64 транзистор ғана болған.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Мур заңы жарияланған уақыттан бері 44 жил өтті, осы уақыт ішінде көптеген скептик тер Мур заңының аяқталуын талой рет болжады, бірақ осы уақытқа дейін бұл заң дәл орындалып келеді жилдары Intel корпорациясының инженерлері микропроцессорлар өндірісінде 1 мкм тең технологиялық норма енгізуді мақсат еткен. 90-шы жилдары олардың аллодындағы мақсат - 0,1 мкм болатын, ал 2002 жилы – 0,01 мкм балды.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы 2005 жилы 65 нм технологиясы бойынша чиптер өндірісі басталлоды, 2007 жилы – 45 нм процестер, 2009 жилда – 32 нм, 2011 жилда – 22 нм процестердің кезегі келеді. Корпорацияның технологиялық стратегиясының директоры Паоло Джарджинидің айтуынша Intel осындай технологиями транзисторларды 2020-шы жилға дейін жасай аллоды. Бірақ ол кезде транзистордың барлық элементтері атомдық өлшемге жақындайды да оларды әрі қарай кішірейту мүмкін емс болады. Бұл мәселені шешу үшін жаңа әдістерді табу қажет. Қазіргі уақытта лаборатория лорда жаңа әдістер қарастырылуда, және олар өндіріске жилдан кейін енгізіледі. Олардың ішінде нанотүтікшеден немэссе бірнеше молекула дан тұратын транзисторлар, диодтар, есте сақтау элементтері. Сонымен микроэлектроника саласының дамуы бірте-бірте наноэлектроника саласына айналып келеді.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Нанотехнологиялардың босым бағыттары Қазіргі уақытта нанотехнологиялар үш негізгі бағыт бойынша дамуда: элементтері бірнеше атом немэссе бірнеше молекула дан тұратын электрондық схемалар жасау; өлшемдері молекулаға жуық наномашиналар жасау; молекулалар мен атом дардан әртүрлі объектілерді құрастыру. АҚШ-тың нанотехнологияларды дамыту бағдарламасында бұл саланың барлық мәселелерін шешу үшін мыңнан астам бағыт бойынша іргелі және қолданбалы зерттеулер жүргізу жоспарланған. Бұл зерттеу бағытары наноэлектроника, нанобиотехнология, молекулалық электроника, нано электромеханика, наноэнергетика, оптоэлектроника, жаңа конструкциялық наноматериалдар жасау, медицина, машина өндірісі мен робототехника, компьютерлік технологиялар, экология, аэронавтика, қауіпсіздік жүйелері үшін материалдар жасау салаларының шеңберінде жатады. Соңғы жилдар ішінде көптеген наноқұрылымданған өнімдер жасалып, оларды алудың әдістері өндірісте іске асырылған.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Наноматериалдардың түрлері мен оларды алу әдістері Наноматериалдар нанотехнологиялардың өте маңызды құраушысы болатыны анық. Наноматериалдардың келесі түрлерін ажыратады: нанобөлшектер; нанотүтікшелер; нанодисперсиялар (коллоидтар); нанокристалл дар мен нанокластерлер; наноқабыршақтар; наноұнтақтар. Нанобөлшектердің шекті өлшемдері 100 нм-ден аспайды, бірақ олардың көлемдік фазамен салыстырғанда негізгі айырмашылығы - жаңа қасиеттердің пайда болуы. Нанобөлшектердің меншікті беттік энергиясының өсуіне байланысты олардың беттік тартылуы, балқу температурасы, құрылымдық ауысу температура лары, электрондық сипаттамалары өзгереді, сонымен қатар құрылымы да өзгеруі мүмкін. Басқаша айтқанда физикалық және химиялық қасиеттерінің толық спектрі өзгереді.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Нанобөлшектердің өлшемдері нм аралығында жатады және олардың құрамында дейін атом болады. Нанобөлшектер үшөлшемді наноқұрылымдар классы на жатады. Оларды әртүрлі әдістермен алуға болады, әдістердің барлығы наноқұрылымды қалыптастыруына байланысты екі түрге бөлінеді: «жоғарыдан- төменге» және «төменнен-жоғарыға» әдістері. Соңғы кезде алу әдістері пішіні мен өлшемдері белгілі, яғни қажетті қасиеттері бар нанобөлшектерді алуға бағытталған. Нанобөлшектердің қолданулары нанотехнологияның барлық салаларында кездэсседі. Көміртектік нанотүтікшелері алғашқы рет 1991 жилы NEC жапон компаниясының лабораториясында графитті электр доғасында шашыратқан кезде алған. Кейін зерттеушілер оларды графит пен көмірсутектерден синтездеудің бірнеше әдістерін тапты. Синтез шарттарына байланысты жұқа ұзын цилиндр тәрізді бірқабаттық көміртектік нанотүтікшелерді алуға болады. Олардың диаметрі 0,4-100 нм, ал ұзындығы мкм үлкен аралықтарда өзгеруі мүмкін. Көміртектік нанотүтікшелердің беріктілігі мен өткізгіштігі жоғары болады, олар механикалық кернеулер әсерінен құрылымын өзгерте аллоды, өзгеше магниттік және оптикалық қасиеттерге ие болады.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Нанотүтікшенің оралу бұрышына байланысты ол металл немэссе шалаөткізгіш болуы мүмкін. Көміртектік нанотүтікшелердің қолдану салалары өте көп. Оларды беріктілігі жоғары жіптер немэссе сымдар ретінде қолдануға болады. Келешектің ең үлкен проектісі – ғарыштық лифт жасау – осындай көміртектік нанотүтікшелерден жасалған трос арқылы іске асырылмақ. Наноэлектроника саласында көміртектік нанотүтікшелер негізінде өрістік транзисторлар және шалаөткізгіш гетероқұрылымдардың лабораториялық үлгілері жасалған. Компьютерлік индустрияда нанотүтікшелік матрица да жұмыс істейтін бірінші жазық дисплейлер жасалып сынақтан өтті. Көміртектік емс нанотүтікшелер (MoS 2 және WS 2 ) алғашқы рет 1992 жилы алынды. Мұндай затратдың функционаллодық қасиеттері морфология мен материаллодың кристаллодық және электрондық құрылысына тәуелді болады. Көміртектік емс нанотүтікшелерді химиялық синтез әдістерімен алуға болады. Тұздар термолизі процессінде су немэссе су-органикалық орталарда, қатты немэссе газ фазасында бастапқы затратдың әрекеттесуінің нәтижесінде осындай нанотүтікшелер қалыптасады.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Бұдан басқа темплаттық әдістерде нанобөлшектер алынатын өнімнің пішіні мен өлшемін қалыптастыратын қатты заттың бетіне қонады. Көміртектік емс нанотүтікшелер фото- және электро-люминофорлар, жарық қоздырушы және лазерлік диодтар, ультрашапшаң нанолазерлер ретінде, сонымен қатар оптоэлектрондық құрылғыларда қолданылуы мүмкін. Нанодисперсиялар немэссе коллоидтық бөлшектер дегеніміз заттың ұсақ бөлшектерінің сұйықтағы ерітіндісі болып табылады. Коллоидтық ерітінділерде бөлшектер ыдыстың түбіне тұнбайды немэссе өте ұзақ уақытта тұнады. Коллоидтық бөлшектердің заряды болады. Желатин, крахмал, кисель, сияқты затрат, косметика өнімдері коллоидтық бөлшектерден тұрады. А 2 В 6 шалаөткізгіштердің коллоидтық бөлшектері жарқын люминесценция қасиетіне ие болады және кванттық нүктелер ретінде қолданылады. Металл оксидтері болатын магниттік коллоидтық бөлшектер магниттік гипертермия әдісімен рак ауруларын емдеуде қолданылады. Полистирол мен кремний оксидының сфералық нанобөлшектері фотондық кристалл дар алу үшін қолданылады.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Нанокристалл дар немэссе нанокластерлер деп сыртқы пішіні дұрыс көпқырлық болатын құрылымы реттелген нанобөлшектерді атайды. Олардың өлшемдері 1-5 нм аралығында жатады және олардағы атом дар саны 1000-нан аспайды. Нанокластерлердің қалыптасуы атом дардың тығыз жинақталу концепция сына сәйкес болады. 12-бұрыштық көпқырлық тәрізді тығыз жинақталған кластерде өлшеміне байланысты 13, 55, 147, 309, 561, 923, 1415, 2057, 2869 және әрі қарай атом дар болады. Мұндай атом сандры кластердің тұрақты формаларына сәйкес болады және «сиқырлы» сандра деп аталлоды. Металдар нанокластерлерінің жоғары катализдік қасиеттерін органикалық синтезде кеңінен қолданады. Шалаөткізгіш материалдарының кластерлерін органикалық немэссе силикаттық матрица да үлестіргенде олар ерекше оптикалық және электрондық қасиеттерге ие болады, және сол себептен бейсызықтық оптика да қолданылуы мүмкін. Наноқабыршақтардың қалыңдығы ондаған нанометрден аспайды. Оларда беттік ауданның шаманы көлем шаманына қарағанда үлкен болады. Бейорганикалық наноқабыршақтарды алу әдістері екі үлкен топқа бөлінеді: химиялық және физикалық әдістер.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Химиялық әдістерге металлорганикалық қосылыстардың (MOCVD – Metal organic chemical vapor deposition) бу фазасынан конденсациялануы, Ленгмюр-Блоджетт қабыршақтарын алу жатады. Физикалық әдістерге жилулық шашырату, импульстік лазерлік шашырату, электрон сәулелік буландыру, магнетрондық шашырату молекула сәулелік эпитаксия әдістері жатады. Физикалық әдістердің барлығында жоғары вакуум қажет. Біріншіден, наноқабыршақтардың адгезиялық қабілетті өте жоғары болғандықтан оларды көбінэссе жапқыш ретінде қолданады. Сонымен қатар, олар электроникада, химиялық сенсорлар, оптикалық материалдар ретінде кеңінен қолданылады. Наноұнтақтардың артық беттік энергиясының шаманы үлкен болады, оларды нығайтуға, босатуға, жапсыруға болады, кейде оларды сұйық сияқты ағызуға болады. Ұнтақтық материаллодың бөлшектері әртүрлі жинақталуы мүмкін, соған байланысты олардың беріктілік және технологиялық қасиеттері үлкен аралықта өзгереді. Наноұнтақтарды ерітінділерден немэссе газдық фазадан химиялық әдістермен синтездейді. Наноұнтақтарды әртүрлі қолданыс үшін қажетті қатты қорытпаларды және керамикаларды алу үшін бастапқы материал ретінде қолданады.

Қатты дене физикасы мен материалтану кафедрасы Бақылау сұрақтары 1. Нанотехнология дегеніміз не? 2.Наноматериалдардың материалдардан ерекшеліктері. 3. Неге нанотехнологияны пәнаралық ғылым дейді? 4.Наноэлектрониканың пайда болуы. 5.Нанотехнологиялардың босым бағыттары. 6.Нанобөлшектердің сипаттамалары және алу әдістері. 7.Нанотүтікшелердің сипаттамалары және алу әдістері. 8.Нанодисперсиялардың сипаттамалары және алу әдістері. 9.Нанокластерлердің сипаттамалары және алу әдістері. 10.Наноқабыршақтардың сипаттамалары және алу әдістері. 11.Наноұнтақтардың сипаттамалары және алу әдістері. 12.Нанокластерлер, наобөлшектер және наноұнтақтардың ұқсатығы мен айырмашылығы.