“СОГЛАСОВАНО”

Ректор СПбГЭТУ

_ / Кутузов В. М. /

Программа

краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников

высшей школы по направлению

“ Нанотехнологии для систем безопасности ”

на базе учебного курса

ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ НАНОСТРУКТУР

(наименование учебного курса) Цель: изучение фундаментальных и прикладных вопросов материаловедения наноструктур, связанных с размерными эффектами индивидуальных наночастиц и возникновении кооперативных явлений в наносистемах.

Категория слушателей преподаватели и научные работники высшей школы Примерный срок обучения 36 часов Форма обучения _с частичным отрывом от работы, дистанционно- очная Режим занятий 8 часов в день Целью и задачами данного курса является ознакомление с базовыми теоретическими представлениями, описывающими вопросы кластерообразования, самосборки и самоорганизации наноструктур. Для описания строения кристаллической и электронной структуры наносистем используются современные физические модели с положительной и отрицательной корреляционной энергией, а также модели переменной валентности, являющиеся концептуальной основой модификации свойств наносистем.

Требования к уровню освоения учебного курса.

Преподаватели должны:

• Знать:

основные размерные эффекты, возникающие в наночастицах, и кооперативные явления в системах на их основе;

физическую и химическую сущность процессов и явлений, протекающих в микро- и наносистемах;

основные методы формирования наносистем из индивидуальных наночастиц с учетом областей их применения.

• Иметь навыки:

правильно использовать материаловедческие закономерности для реализации потенциальных возможностей материалов при проектировании и создании микро- и наносистем для наноэлектроники, фотоники, микро- и наносистемной техники, наносенсорики;

использовать математический аппарат теории перколяции и физики фракталов при разработке микро- и наносистем;

экспериментально оценивать физические свойства нано- и микросистем на различных уровнях масштабирования.

• Иметь представление:

о современных тенденциях развития материаловедения микро- и наносистем для создания структур и устройств с улучшенными физико-техническими и химикотехническими характеристиками.

Научные работники должны:

• Знать:

основные размерные эффекты, возникающие в наночастицах, и кооперативные явления в системах на их основе;

физическую и химическую сущность процессов и явлений, протекающих в микро- и наносистемах;

основные методы формирования наносистем из индивидуальных наночастиц с учетом областей их применения.

• Иметь навыки:

правильно использовать материаловедческие закономерности для реализации потенциальных возможностей материалов при проектировании и создании микро- и наносистем для наноэлектроники, фотоники, микро- и наносистемной техники, наносенсорики;

использовать математический аппарат теории перколяции и физики фракталов при разработке микро- и наносистем;

экспериментально оценивать физические свойства нано- и микросистем на различных уровнях масштабирования.

• Иметь представление:

о современных тенденциях развития материаловедения микро- и наносистем для создания структур и устройств с улучшенными физико-техническими и химикотехническими характеристиками.

Учебный курс «Основы материаловедения наноструктур» состоит из дистанционной и очной частей.

Дистанционная часть учебного образовательного курса обеспечивает слушателя необходимым объёмом знаний по выбранной тематике, включая подготовку слушателя к проведению лабораторного практикума. Задача дистанционной составляющей учебного курса – подготовить слушателя к очному посещению лабораторий в Санкт-Петербургском электротехническом университете.

В дистанционной (теоретической) части учебного курса изложены физические основы кластерообразования, самосборки и самоорганизации, физические модели с положительной и отрицательной корреляционной энергией, а также модели переменной валентности, являющиеся основой модификации свойств микро- и наносистем.

Теоретическая часть учебного курса состоит из 6 лекций:

Лекция 1. Физические и химические методы получения наноразмерных частиц Получение наночастиц из пересыщенных паров металлов. Метод «молекулярных пучков». Получение наночастиц распылением металла. Осаждение на подложку наночастиц из атомного пучка. Механохимическое диспергирование. Электроэрозия.

Электрохимическое генерирование. Получение наночастиц из химических соединений.

Термолиз металлсодержащих соединений (МСС). Разложение МСС под действием ультразвука. Радиационно-химическое восстановление ионов металлов в водных растворах как метод синтеза наночастиц. Нанореакторы. Синтез в обратных мицеллах.

Золь-гель технология. Синтез наночастиц на границе раздела фаз вода-воздух (ЛенгмюрБлоджетт технология). Специальные методы синтеза гетерометаллических наночастиц.

Лекция 2. Металлические кластеры и кластерные соединения Шкала размеров. Моноядерные соединения металлов. Биядерные соединения со связями металл-металл. Кластерные соединения металлов (малые, средние, большие, гигантские). Меры против агрегации. Роль лигандов. Дентатность. Хелатный эффект.

Принцип изолобальной аналогии. Макроциклические лиганды. Связь между числом кластерных валентных электронов (КВЭ) и строением остова. Безлигандные металлические кластеры. Металлсодержащие наноразмерные частицы. Отличие структуры кластерных частиц от структуры массивного образца. Кластерные материалы.

Однофазные металлополимеры. Гетерогенные кластерные катализаторы. Принципы геометрической организации, формообразования и электронной структуры кластеров.

Лекция 3. Углеродные наноматериалы. Фуллерены Классификация углеродных материалов по признакам: тип гибридизации химических связей, ближний порядок и средний порядок, дальний порядок и степень дефектности. Углеродные материалы с sp3-гибридизацией (алмазы, порошковые материалы на основе алмаза, ультрадисперсный алмаз, алмазоиды). Семейство углеродных материалов с упорядоченным распределением sp2- и sp1-гибридизированных химических связей (графит, пирографит, графен). Семейство аморфных углеродных наноструктурированных материалов. Фуллерены. Фуллерит. Экзо и эндопроизводные фуллерена. Интеркалированные соединения. Эндоэдральные материалы. Полимерные фазы на основе фуллеренов.

Лекция 4. Углеродные нанотрубки Углеродные нанотрубки (УНТ). Хиральность углеродных нанотрубок.

Одностенные и многостенные УНТ. Нановолокна и другие углеродные наноматериалы.

Электронная структура, энергетический спектр и проводимость нанотрубок. Методы получения и разделения нанотрубок. Сверхупругие свойства однослойных УНТ.

Применение в конструкционных композитных наносистемах и сканирующей зондовой микроскопии. Эмиссионные приборы на основе УНТ. Углеродная наноэлектроника.

Диоды Шоттки, одноэлектронные транзисторы, логические схемы на основе ветвящихся УНТ. Гибридные и эндоэдральные наносистемы на основе УНТ. Легированные УНТ.

Применение углеродных наноструктур в молекулярной электронике :перспективы и проблемы.

Лекция 5. Наноструктурированные поверхности и пленки Получение моно-и полимолекулярных слоёв методом Ленгмюра-Блоджетт.

Наноструктурированные поверхности. Магические кластеры и другие атомные конструкции. Атомная сборка и самоорганизация упорядоченных наноструктур на поверхности кремния. Эффект стабилизации эндоэдральных кремниевых нанотрубок.

Лекция 6. Клатраты и каталитические наночастицы Клтат. ет аы имо еуя нек ар т. Ка ртыкрса л Каталитические наночастицы для газочувствительных сенсоров спилловер эффект химические размерные эффекты. селективность и каталитическую активность наночастицы механизм получил название ПЖК – "Пар–Жидкость–Кристалл" искусственных кластеров Понятие гетерогенного катализа. Размерные эффекты в катализе. Модель оборванных связей. Современный синтез каталитических активных наночастиц и каталитически активных подложек (из полимерных наноматериалов, высокопористых структур, биоматериалов и других). Ансамбли каталитических наночастиц, кооперативные явления. Влияние подложки на каталитические свойства. Фотокатализ.

Особенности каталитической активности наночастиц.

Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится 18 и 18 часов соответственно. Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

Тестовые вопросы к курсу «Основы материаловедения наноструктур»

Лекция 1. Физические и химические методы получения наноразмерных частиц 1. Каково общее условие формирования ультрадисперсных металлических частиц методами, основанными на конденсации пара металла?

А) Высокая скорость нуклеации при Б) Низкая скорость нуклеации при возможно меньшей скорости роста возможно меньшей скорости роста В) Высокая скорость нуклеации при Г) Низкая скорость нуклеации при возможно большей скорости роста размеров возможно большей скорости роста размеров 2. Почему существует необходимость стабилизировать наночастицы?

А) Для компенсации воздействия силы Б) Из-за низкой поверхностной энергии В) Из-за высокой поверхностной энергии Г) Такой необходимости не существует наночастиц 3. Как будет изменяться температура Кюри в магнитных наночастицах по сравнению с температурой Кюри объемной фазы того же материала?

В) Останется неизменной 4. В каком из методов нанодиспергирования компактного материала средний размер наночастиц обратно пропорционален плотности тока?

А) Механохимическое диспергирование Б) Электроэрозия В) Электрохимическое генерирование 5. В каком из химических методов синтеза наночастиц их образование происходит без подвода вещества извне, а размер частиц регулируется размером нанореакторов, в которых протекает синтез?

А) Термолиз металлсодержащих Б) Разложение металлсодержащих В) Синтез в обратных мицеллах Г) Золь-гель метод Д) Синтез наночастиц на границе раздела фаз вода-воздух Лекция 2. Металлические кластеры и кластерные соединения 1. К какому типу кластеров относятся устойчивые ассоциаты из конечного числа атомов или простых молекул, способных существовать в газовой фазе?

А) Ван-дер-Ваальсовы кластеры Б) Молекулярные кластеры металлов В) Молекулярные лигандные кластеры металлов Г) Безлигандные кластеры 2. Указать, к какому типу кластеров относятся микроэмульсии и мицеллярные системы:

А) Ван-дер-Ваальсовы кластеры Б) Молекулярные кластеры металлов В) Молекулярные лигандные кластеры металлов Г) Безлигандные кластеры 3. Каким термином называют атом, ион или молекулу, непосредственно связанных с одним или несколькими центральными (комплексообразующими) атомами металла в комплексном соединении?

4. Какова должна быть дентатность лиганд, способных образовывать хелатные комплексы?

А) Лиганды должны быть монодентатными Б) Дентатность должна быть больше двух В) Дентатность должна быть больше Г) Дентатность должна быть больше шести четырех 5. Будет ли кристаллическая структура кластерных частиц отличаться от структуры массивного образца того же металла?

6. «Магическое» число для тетраэдрического кластера металлов однотипного строения равно 60. Что показывает «магическое» число?

А) Число электронов валентных оболочек Б) Число электронов, предоставляемых атомов металлов, образующих остов лигандами В) Число кластерных валентных электронов Г) Число атомов металла в кластере Лекция 3. Углеродные наноматериалы. Фуллерены 1. Какова степень spn-гибридизации химических связей в алмазоидах?

В) n = 2. Каковы характерные размеры частиц ультрадисперсного алмаза?

3. Какова степень spn-гибридизации химических связей в графене?

В) n = 4. Графен – двухмерный кристалл. Какова величина энергетического зазора между зоной проводимости и валентной зоной в графене (при комнатной температуре)?

А) Равна энергетическому зазору в алмазе: Б) Варьируется от 2 до 4,5 эВ 5,49 эВ 5. В каком из перечисленных ниже аморфных углеродных материалах наиболее высока концентрация С – С-связей с sp3-гибридизацией и минимально содержание С – Н-связей?

А) Алмазоподобный аморфный углерод или Б) Полимероподобный аморфный тетраэдральный аморфный углерод (ta-C) гидрогенизированный углерод В) Алмазоподобный аморфный Г) Аморфный гидрогенизированный гидрогенизированный углерод (DLCH) углерод с жесткими Д) Графитоподобный аморфный гидрогенизированный углерод (GLCH) 6. В каком из перечисленных ниже аморфных углеродных материалах наиболее высока концентрация С – С-связей с sp2-гибридизацией, также материал характеризуется низким содержанием водорода?

А) Алмазоподобный аморфный углерод или Б) Полимероподобный аморфный тетраэдральный аморфный углерод (ta-C) гидрогенизированный углерод В) Алмазоподобный аморфный Г) Аморфный гидрогенизированный гидрогенизированный углерод (DLCH) углерод с жесткими Д) Графитоподобный аморфный гидрогенизированный углерод (GLCH) 7. Для каких материалов на основе фуллеренов принято обозначение M@Cn?

В) Для экзопроизводных фуллеренов Г) Для эндоэдральных производных Лекция 4. Углеродные нанотрубки 1. Какие индексы хиральности соответствуют углеродным нанотрубкам типа «зигзаг»?

2. Являются ли углеродные нанотрубки типа «зигзаг» хиральными?

3. Какие индексы хиральности будут соответствовать однослойным углеродным нанотрубкам, обладающим полупроводниковыми свойствами?

4. Какие индексы хиральности будут соответствовать однослойным углеродным нанотрубкам, обладающим металлическими свойствами?

5. Наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Нанотрубки с каким строением получают таким методом?

Д) С металлическим типом проводимости Е) С полупроводниковым типом Ж) В полученном материале будут находится углеродные нанотрубки с различным строением Лекция 5. Наноструктурированные поверхности и пленки 1. На границе раздела каких фаз способны образовываться мономолекулярные пленки поверхностно-активных веществ?

В) Жидкость - жидкость Г) На границе раздела всех перечисленных 2. Как будут ориентированы молекулы поверхностно-активного вещества (ПАВ), формирующего мономолекулярную пленку на поверхности раздела вода – воздух?

А) Молекулы ПАВ ориентируются под Б) Молекулы ПАВ ориентируются под небольшим углом к межфазной небольшим углом к межфазной поверхности, причем полярной группой в поверхности, причем полярной группой в сторону воды, углеводородным радикалом сторону воздуха, углеводородным В) Молекулы ПАВ будут располагаться Г) Молекулы ПАВ ориентируются под параллельно границе раздела фаз вода – небольшим углом к межфазной 3. Каким образом Д. Эйглер в начале 1990-х годов построил “квантовый загон” – окружность радиусом 7.1 нм, состоящую из 48 атомов железа на поверхности меди?

А) Путем перемещения атомов железа по Б) Методом «молекулярных пучков»

поверхности меди методом силовой литографии (plowing-литографии) атомносиловой микроскопии В) Путем перемещения атомов железа по Г) Методом Ленгмюра-Блоджетт поверхности меди с помощью сканирующего туннельного микроскопа в условиях сверхвысокого вакуума и низкой температуры подложки ( 4 К) 4. Известно, что углерод может образовывать полые наноструктуры – сферические молекулы (фуллерены), нанотрубки. Si, как и C является элементом IV группы. Возможно ли образование аналогичных полых наноструктур, состоящих только из атомов Si?

5. Показана теоретически и экспериментально с помощью сканирующей туннельной микроскопии возможность существования эндоэдральных кремниевых нанотрубок.

Атомы какого элемента вводятся для их стабилизации?

Лекция 6. Клатраты и каталитические наночастицы 1. Клатратные кристаллы – это (продолжить):

А) Среды, у которых диэлектрическая Б) Соединения включения, содержащие проницаемость периодически меняется в молекулы или атомы ("гости") внутри пространстве с периодом, допускающим полостей каркасной кристаллической брэгговскую дифракцию света решетки ("хозяина") В) Это кристаллические фазы на основе Г) Полимерные материалы, находящиеся в фуллеренов с интеркалированными кристаллическом состоянии чужеродными атомами («гостями») между слоями исходной матрицы 2. Из перечисленных ниже списков веществ укажите, в каком все материалы являются клатратами?

А) SmCo5, Sm2Fe4B, Sm2Fe17N3, Sm(Fe11Ti), Б) Fe@Mg, Fe@MgF2, Co:ZnO, V:ZnO, В) Ba6Ce2Au4Si42, Na2Ba6Si46 Ba8Si46, Г) Все выше перечисленные вещества 3. При уменьшении числа атомов в металлической частице наночастица теряет металлические свойства. Энергетическое расстояние между энергетическими уровнями при этом изменяется. При выполнении какого условия металлическая частица приобретает каталитические свойства (k – постоянная Больцмана, Т – температура, EF энергия Ферми)?

4. Будет ли зависеть каталитическая активность и селективность наночастицы от ее кристаллографической огранки (при прочих равных условиях)?

5. Как должно влиять увеличение доли низкокоординированных атомов на поверхности каталитической наночастицы на ее каталитическую активность?

А) Приводить к увеличению Б) Приводить к уменьшению каталитической активности каталитической активности каталитическую активность наночастицы 6. Для получения нитевидных кристаллов кремния на подложках, содержащих затравки Au, по механизму «Пар-Жидкость-Кристалл» в каком диапазоне следует выбирать температуру роста, учитывая, что T–x-диаграмма состояния системы Au–Si имеет эвтектику и характеризуется малой растворимостью Au в Si в твердом состоянии?

А) Температура роста должна быть выше Б) Температура роста должна быть выше температуры плавления Si температуры плавления Au В) Температура роста должна быть выше Г) Температура роста должна быть ниже температуры эвтектики, но ниже температуры эвтектики температуры плавления Si 1. Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды.

2. Получение наночастиц из пересыщенных паров металлов.

3. Методы нанодиспергирования компактного материала.

4. Кластеры. Классификация нанокластеров и наноструктур. Ван-дер-Ваальсовы кластеры. Молекулярные кластеры металлов.

5. Лигандные и безлигандные кластеры. Методы их получения. Дентатность.

6. Методы стабилизации кластеров.

7. Кластерные соединения металлов. Магические числа.

8. Принцип изолобальной аналогии.

9. Принципы геометрической организации кластеров.

10. Классификация углеродных наноматериалов по признакам: тип гибридизации химических связей, ближний и дальний порядок, дальний порядок и степень дефектности.

11. Наноалмазы. Свойства, методы получения, применение.

12. Углеродные материалы с sp3-гибридизацией (алмазы, порошковые материалы на основе алмаза, ультрадисперсный алмаз, алмазоиды).

13. Семейство углеродных материалов с упорядоченным распределением sp2- и sp1гибридизированных химических связей (графит, пирографит, графен).

14. Аморфные углеродные материалы. Области существования различных аморфных материалов на основе треугольник Гиббса.

15. Строение фуллеренов С60, С70. Фуллериты. Фуллериды. Диаграммы Шлегеля.

16. Экзо и эндопроизводные фуллерена. Интеркалированные соединения.

17. Полимерные фазы на основе фуллеренов.

18. Одностенные и многостенные углеродные нанотрубки.

19. Строение углеродных нанотрубок. Влияние хиральности нанотрубки на ее свойства.

20. Электроная структура, энергетический спектр и проводимость нанотрубок.

21. Методы получения и разделения углеродных нанотрубок.

22. Способы создания перехода металл-полупроводник на основе углеродных 23. Гибридные и эндоэдральные наносистемы на основе углеродных нанотрубок.

Легированные углеродные нанотрубки.

24. Получение моно-и полимолекулярных слоёв методом Ленгмюра-Блоджетт.

25. Реконструкция поверхности кристаллов. Строение кластеров металлов на поверхности полупроводников.

26. Атомная сборка и самоорганизация упорядоченных наноструктур на поверхности 27. Решетчатые и молекулярные клатраты. Клатратные кристаллы.

28. Каталитические добавки для газочувствительных сенсоров.

29. Химические размерные эффекты. Спилловер-эффект.

30. Гетерогенный анализ на наночастицах. Модель оборванных связей.

31. Каталитические наночастицы. Влияние подложки на каталитические свойства.

Искусственные кластеры для катализа.

32. Магнитные наночастицы: свойства и методы синтеза. Оболочечные наночастицы.

33. Методы получения каталитических наночастиц.