Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364139
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62791)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21319)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21692)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8692)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3462)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20644)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Реферат: Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий» Специальность 090103 Организация и технология защиты информации 100101 Сервис

Название: Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий» Специальность 090103 Организация и технология защиты информации 100101 Сервис
Раздел: Остальные рефераты
Тип: реферат Добавлен 08:42:01 08 октября 2011 Похожие работы
Просмотров: 199 Комментариев: 11 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТУРИЗМА И СЕРВИСА»

ФГОУВПО «РГУТиС»

Кафедра_Общей и прикладной физики

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебно-методической работе,

д.э.н., профессор

________________________Новикова Н.Г.

«_____»_______________________200__г.

Методические рекомендации для преподавателя

Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий»

Специальность 090103 Организация и технология защиты информации

100101 Сервис

210300 Радиотехника

210302 Радиотехника

210303 Бытовая радиоэлектронная аппаратура

230201 Информационные системы и технологии

150400 Технологические машины и оборудование

250403 Технология деревообработки

280202 Инженерная защита окружающей среды

080401 Товароведение и экспертиза товаров

220501 Управление качеством

260501 Технология продуктов общественного питания

260902 Конструирование швейных изделий

Москва 2008 г.

Методические рекомендации для преподавателя разработаны на основании Государственного образовательного стандарта для специальностей соответствующих направлений

Методические рекомендации для преподавателя рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Общей и прикладной физики

Протокол № 5 « 22 » апреля 2008 г.

Зав кафедрой д.ф.-м.н. Фоминский В.Ю.

Методические рекомендации для преподавателя одобрены Учебно-методическим советом ФГОУВПО «РГУТиС»

Протокол № ________ «____»_______________200_г.

Председатель

УМС ФГОУВПО «РГУТиС» д.э.н., проф. Новикова Н.Г.

Методические рекомендации для преподавателя

разработал:

преподаватель кафедры

Общей и прикладной физики к.ф.-м.н., доцент Каряка В.И.

Согласовано:

Зам. проректора - начальник

Учебно-методического управления к.э.н., доцент Дуборкина И.А.

Начальник

методического отдела Рыженок Н.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

по проведению лекций по курсу Естественнонаучные основы высоких технологий

Целью учебного курса является формирование общего представления о важнейших

технологических достижениях в области энергетики, нанотехнологии, субмикроэлектроники, использовании для технологических целей электронных, ионных, лазерных пучков высоких энергий, применении плазменных технологий. В результате изучения курса студент получает представление о современных технологических операциях, используемых в самых разнообразных направлениях человеческой деятельности: в научных исследованиях, на производстве, в сфере обслуживания, в быту. Цикл лекций по дисциплине «Естественнонаучные основы высоких технологий» начинается с темы, которая является наиболее важной для будущего человеческой цивилизации – это рассмотрение энергетической проблемы в плане обеспечения будущих поколений источниками энергии на длительную перспективу. Последовательность изложения материала определяется степенью сложностью рассматриваемых тем и их логической связью: например, вначале следует рассмотреть вопросы субмикроэлектроники и лишь затем перейти к нанотехнологии, которая, является, как образно считают исследователи, «внучкой» микроэлектроники: логика развития микроэлектроники, требующая уменьшения размеров элементов схем, привела к переходу в область наноразмеров.

СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ. Программа изучения курса включает в себя лекции, практические и самостоятельные занятия. В процессе обучения студент обязан прослушать курс лекций, присутствовать и участвовать в работе на практических занятиях, применять полученные знания в процессе подготовки докладов и рефератов. Итоговым контролем является зачет или экзамен.

МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ. Основым методом обучения является фундаментализация - реализуется за счет использования на лекциях материалов о последних достижениях исследовательских институтов отечественной и зарубежной науки и техники, приглашением для чтения лекций ведущих специалистов в области естественных наук.

Тематическое содержание курса и контрольные вопросы к темам

№ темы

Название темы

1

Высокие технологии в энергетике

2

Технологическое применение электронных пучков

3

Физические основы ионной технологии

4

Основы лазерной обработки

5

Плазменная технология

6

Субмикронные технологии микроэлектроники

7

Основы литографии

8

Введение в нанотехнологию

9

Нанотехнологии в медицине, фармацевтике и биотехнологии

Литература

Быстрое развитие науки и техники, характерное для второй половины XX века, в наши дни привело к созданию высокоэффективных технологий в энергетике, электронике, вычислительной технике, медицине, биологии и ряде других областей. Современные технологии способны создавать и использовать материалы, приборы и системы, размеры которых находятся в диапазоне размеров атомов и молекул. Созданные из таких элементов структуры обладают уникальными физическими, химическими, биологическими и другими свойствами. Для того чтобы работать с такими малыми объектами, следует научиться контролировать их положение. Эту проблему удалось решить после создания сканирующих туннельных микроскопов, позволяющих различать положение даже отдельных атомов. Естественно, для изготовления и обработки таких нанообъектов следует иметь соответствующие инструменты и технологии. В современных технологиях используются электронные и ионные пучки, лазерное излучение, потоки плазмы. Их использование в различных технологических операциях предоставляет принципиально новые возможности, например: обработка материалов любой твердости и прочности; обработка материалов с высокой точностью и получение миниатюрных изделий; получение сварных соединений с особыми свойствами, сварные швы которых отличаются малыми размерами и т.п.

1. Высокие технологии в энергетике

1.1.Энергетическая проблема, стоящая перед человечеством

Среди многочисленных технологических задач, решаемых человечеством, самой главной, по всеобщему признанию, является энергетическая проблема. Известный ученый Ричард Смолли, лауреат Нобелевской премии по химии 1996 года, открывший молекулу фуллерена, назвал эту проблему «тераваттным вызовом». Суть этой проблемы состоит в том, что в ближайшем будущем население Земли достигнет десяти миллиардов человек и, чтобы обеспечить достойную жизнь и процветание этому огромному количеству людей, необходимо существенно повысить объем используемой энергии. Самые простые оценки показывают, что к середине XXI века уровень энергопотребления человечества возрастет не меньше, чем в два раза, и достигнет чудовищной величины в несколько десятков тераватт (напомним, что приставка тера соответствует ). Чтобы человечество могло вести достойное существование и не погрязнуть в войнах за природные ресурсы, необходимо совершенствовать технологии использования энергетических источников, а также осуществить поиск новых источников энергии.

Уровень развития общества, состояние экономики и благосостояние людей определяются количеством потребляемой энергии. Энергия используется для освещения и отопления жилья, движения транспорта, работы предприятий и т.п. Известно, что работа совершается за счет энергии. Еще в древности человек понял, что при выполнении работы не обязательно использовать только энергию собственного организма, гораздо удобней использовать посторонние источники энергии. Вначале для работы использовалась энергия домашнего скота, для обогрева жилища – энергия сгорающего дерева. Уже в Древние века человек начал использовать энергию воды, изготовив водяное колесо. Водяные и ветряные мельницы получили широкое распространение в Средневековой Европе. Развитие промышленности потребовало создать паровой двигатель, использующий энергию сгорающего топлива. С дальнейшим развитием техники были созданы карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания, получившие массовое распространение в наше время.

Для получения энергии в настоящее время используются в основном невозобновляемые (нефть, природный газ, уголь, ядерное топливо) и возобновляемые источники энергии (вода, ветер, Солнце). Энергетические потребности человечества постоянно растут, потребителей энергии становится все больше. Невозобновляемые источники энергии, накопленные в процессе эволюции Земли за сотни миллионов лет, при современных темпах потребления будут израсходованы в течение сотен, а то и десятков лет. Использование возобновляемых источников энергии связано с существенными экологическими и технологическими издержками. Особенно опасным является сжигание кислорода и накопление в атмосфере двуокиси углерода. Солнечная энергия обладает низкой плотностью и для ее использования большие пространства Земли необходимо покрыть солнечными батареями. Аналогичные проблемы возникают и при использовании энергии ветра. Строительство гидроэлектростанций связано с затоплением плодородных земель вблизи рек. По современным представлениям, решить энергетическую проблему возможно только используя ядерную энергию, применение которой в промышленном масштабе началось со средины прошлого века. Ядерные электростанции не загрязняют атмосферу выбросом отработанных газов, являясь в этом плане более экологичными, чем тепловые электростанции. Однако в случае использования ядерных энергоустановок возникает проблема утилизации радиоактивных отходов.

Таким образом, энергетический кризис, стоящий перед мировым сообществом, столь же острый, как и трудно разрешимый.

Основные направления повышения эффективности использования энергии .

Тепловые электростанции с утилизацией тепловых отходов. В таких установках тепло, оставшееся после получения электроэнергии, не выбрасывается в окружающую среду, а используется для отопления жилых и производственных помещений или для технологических целей.

Комбинированный способ получения электроэнергии в парогазовых установках. В таких установках турбина, связанная с генератором электроэнергии, приводится в движение потоком газов, образовавшихся при сгорании топлива. Горячие газы, покидающие турбину, используются для получения пара, который подается на паровую турбину, вращающую второй электрогенератор. Предполагаемый КПД парогазовой установки в ближайшие годы может достичь 75% (КПД обычной тепловой станции достигает в лучшем случае 40%).

Использование магнито-гидродинамических генераторов. Принцип работы таких генераторов состоит в следующем. Образовавшиеся при сгорании топлива газы, представляющие собой низкотемпературную плазму, направляются в межэлектродное пространство, в котором создается магнитное поле. Так как силы, действующие на положительные и отрицательные электрические заряды в магнитном поле, направлены противоположно, то происходит разделение в пространстве положительных и отрицательных зарядов плазмы и их движение к электродам, с помощью которых снимается электрический ток. После выхода из установки горячие газы используются для получения пара, направляемого на турбину, вращающую генератор электрической энергии.

Прямое преобразование химической энергии топлива в электрическую . Традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях происходит по схеме: химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию газа или пара, который вращает турбину (механическая энергия), приводящую в движение генератор электрической энергии. Прямое преобразование химической энергии в электрическую происходит с более высоким КПД. При разработке топливных элементов, работающих по подобному принципу, учитывают также требования экологической чистоты. Предполагается, что в ближайшем будущем широкое внедрение получат двигатели на водороде. Они работают аналогично электрохимическим элементам, применяемым в быту: в топливном элементе водород окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. КПД такого двигателя достигает 85%, что существенно выше, чем у бензинового двигателя. Кроме того, в водородном двигателе образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Однако для широкого внедрения водородных двигателей необходимо решить проблему их надежности, а также дешевого производства водорода. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам разработки топливных элементов различных конструкций.

1.2. Атомная энергетика .

Постоянно растущая потребность человечества в энергии заставляет искать ее новые источники. В настоящее время около 70% мирового энергопотребления обеспечивается за счет нефти и газа. По оценкам специалистов с учетом роста энергетических потребностей запасы нефти и газа могут быть исчерпаны в ближайшие десятилетия. В дальнейшем все шире будет использоваться уголь, запасы которого хотя и значительны, но также ограничены. Со второй половине XX века широкое развитие получила атомная энергетика, в основе которой лежит использование энергии, выделяющейся при делении ядер тяжелых химических элементов. В 1938 году исследователи Ганн и Штрассман обнаружили, что при облучении нейтронами ядра урана делятся на две примерно равные части. При делении ядер выделяется энергия, равная в среднем 200 Мэв на каждое делящееся ядро. Это в сотни миллионов раз больше, чем выделяется в единичном акте химических реакций (в лучшем случае это несколько электронвольт). Особенно важным является то обстоятельство, что при делении ядра выделяется несколько нейтронов, в среднем 2,5 нейтрона на каждый акт деления. Это делает возможным осуществление цепной ядерной реакции, в процессе которой в реакцию деления вступают все новые ядра. Получение ядерной (другое название - атомной) энергии в промышленных масштабах осуществляется в ядерных реакторах, представляющих весьма сложное и высокотехнологичное устройство. В естественном состоянии в природе встречается только одно ядерное топливо – уран. В природном уране содержится около 99,3% изотопа урана-238 и 0,7% изотопа урана -235.

Исследования показали, что деление ядер урана может происходить разными путями с образованием около 80 различных осколков. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Например, один из путей деления изотопа урана -235 выглядит следующим образом:

(1.1)

Осколки деления являются радиоактивными и в дальнейшем они претерпевают следующие превращения:

(1.2)

Окончательные продукты - церий и цирконий - являются стабильными.

Ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами с энергиями, не менее 1 Мэв (при делении ядра урана-235 энергия выделившихся нейтронов в среднем около 2 Мэв). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами урана-238 без последующего деления ядра, которое при этом в результате ряда ядерных процессов (два - распада) превращается в ядро плутония-239.

(1.3)

Ядра урана-235 и плутония-239 делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Так как в природном уране в среднем на одно ядро урана-235 приходится 140 ядер урана-238, то цепная реакция деления не возникает вследствие поглощения медленных нейтронов ядрами урана-238 без деления ядер.

Таким образом, осуществить реакцию деления урана можно: а) используя ядра урана-238 и быстрые нейтроны; б) на ядрах урана-235, замедлив нейтроны до тепловых скоростей. Технически второй способ осуществить проще. Поэтому подавляющее большинство реакторов работают на тепловых нейтронах, используя в качестве ядерного топлива природный уран или уран, несколько обогащенный изотопом урана-235. Обогащение урана весьма длительный и дорогостоящий процесс. Так как химические свойства изотопов урана почти одинаковы, то для разделения изотопов приходится применять физические методы, основанные на их небольшом различии в массах (газовая диффузия через пористые перегородки, центрифугирование, электромагнитный метод разделения изотопов). Кроме обогащения урана, для уменьшения захвата нейтронов ядрами урана-238 сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, заполняя промежутки между блоками замедлителем нейтронов, в котором скорость нейтронов уменьшается до тепловых скоростей. Соответствующие расчеты показывают, что эти способы позволяют добиться того, что деление ядер происходит чаще, чем захват нейтронов без деления ядер.

Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеивания. При упругих столкновениях максимальные потери энергии происходят при одинаковых массах частиц. Поэтому в качестве замедлителей следует выбирать вещества, содержащие водород (масса протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако обычный водород хорошо поглощает нейтроны, поэтому в качестве замедлителей предпочитают использовать вещества, содержащие ядра дейтерия (тяжелая вода), графита и бериллия.

Для управления скоростью ядерной реакции в реакторах используются вещества, поглощающие нейтроны. Обычно в качестве поглотителей используются кадмий или бор. Введение стержней с поглотителей в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает; таким образом возможно регулировать скорость ядерной реакции деления и, соответственно, тепловую мощность реактора.

Энергия, выделяющаяся в активной зоне реактора, снимается теплоносителем (вода, расплавленные металлы, газ). В теплообменнике теплоноситель отдает тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину. В настоящее время наиболее распространены ядерные реакторы на тепловых нейтронах с замедлителями из графита, обычной или тяжелой воды и теплоносителями из воды (как обычной, так и тяжелой) или газа.

Оценим перспективность ядерной энергетики для преодоления надвигающегося энергетического кризиса. Сравнительно дешевого урана, пригодного для энергетических целей, на Земле около 4 млн. тонн. При использовании в ядерных реакторах урана-235 этих запасов хватит примерно на такое же время, что нефти и газа, т.е. лишь на десятки лет. В связи с этим важная роль в ядерной энергетике в настоящее время отводится реакторам- размножителям на быстрых нейтронах (бридерах). В таких реакторах уран-238 при взаимодействии с медленными нейтронами превращается в плутоний-239, который в отношении деления даже лучше, чем уран-235, т.е. может использоваться в традиционных ядерных реакторах на тепловых нейтронах. В реакторах- размножителях активная зона окружена слоем материала, где происходит расширенное воспроизводство делящегося вещества. В настоящее время в качестве ядерного топлива в реакторах размножителях применяется обогащенный уран с высоким содержанием урана-235 (до 30%). В этом случае нет необходимости замедлять нейтроны, их достаточно много, чтобы поддерживать цепную реакцию в центре реактора. Кроме того, нейтроны, бомбардируя зону воспроизводства, которая изготавливается из урана, превращает уран-238 в плутоний. Причем в таких пропорциях, что реактор в итоге производит больше ядерного топлива, чем сжигает. В будущем, по мере накопления плутония-239, ядерным топливом будет служить смесь урана с плутонием.

Использование реакторов-размножителей позволит увеличить отдачу энергии из каждого килограмма урана в 30-40 раз по сравнению с обычными ядерными реакторами на тепловых нейтронах. Это сделает экономически целесообразным использование бедных ураном руд, добычу урана из морской воды, применение в качестве ядерного топлива тория. По оценкам специалистов этих ядерных ресурсов человечеству хватит на тысячи лет.

Однако почему же, несмотря на возможность с помощью атомной энергии решить энергетическую проблему, у сторонников использования этого вида энергии так много противников? В первую очередь вызывают опасения проблемы надежности атомных электростанций. За полвека работы атомных реакторов сбои в их работе, имеющие различные по степени тяжести последствия, происходили неоднократно. Самой трагичной явилась Чернобыльская катастрофа, произошедшая на классическом реакторе, работающем на тепловых нейтронах. Проблема взрыва ядерного реактора как огромной ядерной бомбы особенно существенна для реакторов- размножителей. В обычных ядерных реакторах на тепловых нейтронах топливо содержит очень малое количество делящихся ядер, да и топливо рассосредоточено в объеме реактора. Однако в центре реактора- размножителя содержится атомное горючее с содержанием делящихся ядер значительно выше, а занимаемый топливом объем в 2-3 раза меньше. Общая масса делящегося вещества (например, плутония) достигает нескольких тонн. Критическая масса, достаточная, чтобы произошел ядерный взрыв, для плутония-239 приблизительно равна 0,5 кг, для урана-235 -0,8 кг. При нормальной работе реактора риск образования критической массы внутри реактора исключен: делящееся вещество совместно с ураном-238 размещено внутри длинных тонких трубок из нержавеющей стали. Но что произойдет, если в процессе ядерной реакции несколько трубок расплавится? Конструкторы реакторов- размножителей утверждают, что это исключено, ядерный взрыв реактора невозможен. Противники проекта в этом сомневаются.

Второй риск, правда, менее катастрофический: в качестве жидкости, отводящей тепло из ядерного реактора, используется жидкий натрий, который неудобен вдвойне, так как взрывается при контакте с водой и загорается на воздухе. Однако, он один из редких теплоприемников, способных работать при высоких температурах, реализуемых в реакторе- размножителе (около 550), и, в отличие от воды, не замедляет нейтроны. Слабым местом установки является теплообменник, где натрий отдает тепло воде, превращая ее в пар для турбины. Теплообменник представляет собой набор трубок, где вода и натрий разделены лишь тонкими металлическими стенками. Если металл не выдержит, произойдет тепловой взрыв, аналогичный тому который произошел на одном из экспериментальных реакторов в 1973 г.

При переходе энергетики на ядерное горючее возникает еще одна серьезная экологическая проблема: ядра – осколки, на которые распадаются в процессе деления ядра урана или плутония, в большинстве своем являются радиоактивными, поэтому при работе атомных электростанций образуются долгоживущие радиоактивные отходы и возникает сложная задача их захоронения. Таким образом, при развитии атомной энергетики возникнет медленное, но постепенно прогрессирующее загрязнение планеты, бороться с которым чрезвычайно трудно.

1.3.Термоядерн ая проблема

Исследование ядерных реакций показало, что при слиянии легких ядер в одно ядро (ядерный синтез), также как и при делении тяжелых ядер, происходит выделение огромных количеств энергии. Для энергетических целей наибольший интерес представляют реакции синтеза, происходящие с участием изотопов водорода: дейтерия и трития (ядро обычного водорода состоит из одного протона, в ядре дейтерия находятся протон с нейтроном, у трития в ядре два нейтрона и протон).

(1.4)

Первые две реакции идут с примерно одинаковой вероятностью.

При слиянии этих ядер выделяется энергия в миллионы раз превосходящая тепло, получающееся при сжигании химического топлива; в результате реакции синтеза образуются ядра гелия, трития, нейтроны и протоны. Однако практически реализовать получение энергии синтеза легких ядер пока удалось только для военных целей в водородной бомбе в виде чудовищного по мощности взрыва. Для мирных целей необходимо научиться управлять выделением этой гигантской энергии.

Оценим энергетические возможности использования ядерных реакций синтеза. Дейтерий входит в состав естественной воды, где число его атомов составляет примерно 0,015 процентов. Учитывая, что в процессе слияния ядер дейтерия выделяется около 0,9 Мэв энергии на одно ядро, получим, что 250 г воды в энергетическом отношении эквивалентны 1 кг каменного угля. Так как масса воды в океанах Земли составляет примерно кг то ясно, что дейтерий, содержащийся в океанах, является для человечества практически неисчерпаемым источником энергии.

Экологические преимущества использование реакций синтеза изотопов водорода очевидны. В этом случае, как и при реакциях деления тяжелых ядер, не происходит сжигания мировых запасов кислорода и выброса в атмосферу окислов углерода и других продуктов сгорания топлива. В реакциях ядерного синтеза не образуется долгоживущих радиоактивных изотопов: основные продукты реакции нейтроны, нерадиоактивные ядра водорода и гелия-3, а также ядра трития. Радиоактивные ядра трития (период полураспада 12,3 года) являются термоядерным топливом и их можно возвратить в активную зону реактора для дальнейшего сжигания. Таким образом, эффективное время жизни трития сводится примерно к 5 дням. С экологической точки зрения весьма удобной является реакция соединения изотопа гелия-3 с дейтерием:

. (1.5)

В результате этой реакции не образуется радиоактивных веществ. Однако изотопа гелия -3 на Земле недостаточно для получения энергии в промышленных масштабах.

Несмотря на столь радужные перспективы решения энергетической проблемы с помощью реакция ядерного синтеза, управляемый синтез еще не осуществлен, хотя для решения вопроса во второй половине прошлого века были приложены гигантские финансовые, материальные и интеллектуальные усилия со стороны ведущих стран мира. Дело в том, что элементарный акт синтеза происходит лишь тогда, когда ядра сблизятся на очень небольшое расстояние (порядка см), когда между частицами начнут действовать ядерные силы. А для этого положительно заряженным ядрам необходимо преодолеть электростатическое отталкивание, что возможно лишь при больших относительных скоростях частиц. Чтобы атомы вещества двигались с большими скоростями, вещество должно быть нагрето до очень высоких температур. Реакции синтеза возможны лишь при сильном нагреве вещества, поэтому их называют термоядерными реакциями. Расчеты показывают, что синтез ядер изотопов водорода может происходить при гигантских температурах в сотни миллионов градусов. При таких температурах вещество не может находиться в нейтральном состоянии, атомы вещества полностью ионизуются. Вещество в таком состоянии называется плазмой. Наибольшая трудность заключается в необходимости изолировать горячую плазму от контакта со стенками сосуда, в котором она находится. В противном случае плазма, вследствие хорошей теплопроводности, отдаст стенкам подведенную к ней тепловую энергию. Для предотвращения контакта плазмы со стенками в средине прошлого века была предложена идея магнитного удержания плазмы. Суть ее заключается в том, что ионизованные частицы, из которых состоит плазма, не могут перемещаться перпендикулярно магнитным силовым линиям. Таким образом, окружая плазму магнитным полем соответствующей конфигурации, в принципе можно добиться удержания плазмы.

Итак, трудность осуществления управляемой термоядерной реакции заключается, во- первых, в необходимости нагреть изотопы водорода до фантастических температур порядка градусов, во- вторых, удерживать плотную высокотемпературную плазму достаточно долго, чтобы успели вступить в реакцию достаточно много ядер и выделившаяся при этом энергия превысила энергию, потраченную на нагрев плазмы, а также остальные энергетические затраты, связанные с функционированием реактора. Поэтому основными критериями успехов ученых в решении термоядерной проблемы являются значения таких параметров как температура плазмы, ее плотность и время удержания.

Наиболее перспективными ловушками для удержания плазмы специалисты считают тороидальные камеры с магнитными катушками (токамаки). В них магнитные силовые линии являются замкнутыми и представляются в виде тора. Наиболее крупным из отечественных токамаков является токамак Т-10, запущенный в Институте атомной энергии им. Курчатова в 1975 г. ( тороидальное магнитное поле 50 кГс, температура плазмы , ее плотность , время удержания 0,07 с). На токамаке TFTR (США) в конце 1986 г. была получена рекордная температура К. При увеличении на порядок плотности плазмы или времени ее удержания в таком токамаке выделяющаяся термоядерная энергия уже будет равна энергии, затраченной на нагрев и удержание плазмы. Поскольку токамаки весьма сложные и дорогостоящие установки Международное агентство по ядерной энергии решило объединить усилия ведущих стран мира для создания опытного термоядерного реактора. Будущая установка получила названия ИТЭР (Интернациональный термоядерный экспериментальный реактор). ИТЭР еще не будет экономически выгодным реактором. Его цель – доказать возможность получения и использования в промышленных целях энергии ядерного синтеза легких элементов.

1.4. Передача и хранение энергии

Наиболее важная задача, стоящая перед человечеством, состоит в том, чтобы обеспечить население планеты экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Решение этой задачи лежит не только в области производства энергии, важную роль играют вопросы передачи и хранения энергии. Уже упоминавшийся нами Р.Смолли считает, что в новом веке человечество должно прекратить транспортировку огромных масс топлива (угля, нефти и т.д.), а научиться эффективно передавать энергию именно в виде «энергии». Для этого следует создать глобальную энергетическую сеть, позволяющей наиболее эффективно перераспределять потоки электрической энергии. Для создания такой сети необходимо решить два существенных вопроса. Во-первых, следует значительно снизить потери при передаче тока на большие расстояния, а во-вторых, решить проблему компактных и емких устройств для локального хранения электрической энергии. Решение первой из задач связано с созданием материалов с высокой электрической проводимостью (высокотемпературные сверхпроводники, специальные сплавы и т.п.), а также рациональным управлением энергетическими сетями. При этом решение технической задачи по созданию эффективных аккумуляторов энергии имеет ключевое значение. Это связано с тем, что основным недостатком установок, использующих энергию ветра и солнца (а именно эти источники в ближайшем будущем могут получить самое широкое распространение), неравномерность режима их работы и, соответственно, большие колебания объемов вырабатываемой ими энергии. Для таких устройств существенной является проблема хранения вырабатываемой энергии и расходование ее по мере необходимости. Поскольку практически все физико-химические процессы в аккумулировании энергии связаны с передачей заряда, осуществляемого группой из нескольких атомов на какой либо поверхности, то, скорее всего, следующее поколение устройств для хранения и передачи энергии будет создано на основе нанотехнологической модификации поверхностей, наноразмерных частиц- катализаторов и т.д. Таким образом, существенная роль в решении задачи производства, передачи и хранения энергии принадлежит тем направлениям современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне.

Кроме глобальных энергетических проблем для современной цивилизации существенное значение имеют и многие другие вопросы, касающиеся не только научной, производственной, но и бытовой области. В решении этих задач существенную роль играют новые научные и технологические направления, к которым относятся нанотехнология, субмикроэлектроника, широкое распространение в современных технологиях получили электронные и ионные пучки, лазерное излучение, плазменные обработка материалов и другие перспективные технологические методы, которые будут рассмотрены в последующих главах.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит энергетическая проблема, стоящая перед человечеством?

2. Какие источники энергии используются в настоящее время?

3. Можно ли решить энергетическую проблему с помощью невозобновляемых источников энергии?

4. Какие перспективы использования возобновляемых источников энергии?

5. Экологические аспекты использования различных источников энергии.

6. Какой традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях?

7. Какой К.П.Д. обычной тепловой электростанции?

8. Укажите основные направления повышения эффективности использования энергии.

9. В чем сущность способа получения электроэнергии в парогазовых установках?

10. Какой возможный К.П.Д. парогазовой установки?

11. Объясните принцип работы магнито-гидродинамических генераторов.

12. Какой предполагаемый К.П.Д. при прямом преобразовании химической энергии в электрическую при помощи двигателя на водороде?

13. При каких условиях происходит деление ядер урана?

14. Какое ядерное топливо встречается в природе в естественном состоянии?

15. Какой изотопный состав природного урана?

16. Какова энергия нейтрона, выделяющегося при делении урана-235?

17. Какой должна быть энергия нейтрона для наиболее эффективного деления урана-238, урана-235, плутония - 239?

18. Принцип работы реакторов на тепловых нейтронах.

19. Технологические сложности при обогащении урана.

20. Какие вещества используются для замедления нейтронов, для их поглощения?

21. Перспективы ядерных реакторов на тепловых нейтронах для решения энергетической проблемы.

22. Принцип работы реактора-размножителя на быстрых нейтронах.

23. Перспективы ядерных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах для решения энергетической проблемы.

24. Какие опасения вызывает применения реакторов размножителей на быстрых нейтронах?

25. Экологические аспекты использования ядерной энергетики.

26. Какие ядерные реакции перспективны для получения энергии?

27. Какие частицы получаются в результате синтеза ядер дейтерия?

28. Какие энергетические возможности сулит использования ядерных реакций синтеза дейтерия?

29. Экологические преимущества использования ядерных реакций синтеза.

30. Основные трудности, возникающие при реализации ядерных реакций синтеза дейтерия.

31. В чем сущность идеи магнитного удержания плазмы?

32. Каковы перспективы управляемого термоядерного синтеза?

33. Какие основные направления эффективного хранения энергии и ее транспортировки?

2. Технологическое применение электронных пучков

2.1. Получение и транспортировка электронных пучков

В современных технологиях широкое распространение получили электронные и ионные пучки, лазерное излучение, плазменная обработка материалов. Подобные виды воздействий представляют собой эффективный инструмент, обладающий существенными преимуществами перед традиционными методами обработки материалов. Эти воздействия лежат в основе новых высокоэффективных технологий и широко используются в атомной промышленности, микроэлектронике, аэрокосмической промышленности, строительстве и других технологически развитых областях. Более того, они начали использоваться и в небольших ремонтных мастерских, в рекламной деятельности, все глубже проникают в быт.

Для выхода электрона из твердого тела (обычно для этой цели используют металлы) необходимо израсходовать определенную порцию энергии. Это связано с тем, что на границе твердое тело - вакуум существует потенциальный барьер, который препят­ствует выходу электронов из твердого тела.

Возникновение этого барьера связано с несколькими факторами. Во-первых, электрон, покидающий металл, наводит в нем положительный заряд, между поверхностью металла и электроном возникает сила притяжения (так называемая сила зеркального изображения). Во-вторых, на границе металл-вакуум существует двойной электрический слой, возникающий вследствие того, что при тепловом движении электроны могут пересекать поверхность металла и удаляться от нее на небольшое расстояние. Между образовавшимся электронным облаком и положительно заряженной поверхностью и возникает двойной электрический слой, электрическое поле в котором препятствует электронам покидать металл. Существуют и другие причины возникновения потенциального барьера. Для преодоления граничного потенциального барьера требуется выполнить определенную работу, которая называется работой выхода . Выход электронов во внешнее пространство называется электронной эмиссией . Ниже представлены значения работы выхода для некоторых металлов.

Таблица 2.1. Работа выхода электронов из металлов

Металл

Fe

Ni

Mo

Ta

W

C

Al

Работа выхода (эВ)

4,25

4,6

4,3

4,1

4,52

4,5

4,25

Для объяснения эмиссионных свойств металлов обычно используется зонная теория. Суть ее состоит в том, что при сближении атомов, обладающих в изолированном состоянии определенной структурой энергетических уровней, на которых могут находиться электроны атома, вследствие межатомного взаимодействия происходит расщепление отдельных уровней и формирование энергетических зон с большим числом уровней.

У металлов отдельные уровни оказывают­ся разделенными чрезвычайно малыми энергетическими проме­жутками (~эВ), вследствие чего дискретные уровни формируют квазинепрерывную зону. Такие зоны отделены друг от друга широкими полосами, энергия которых не отвечает ни одному из стационарных состояний атома. Эти полосы носят название зон запрещенных энер­гий или просто запрещенных зон.

Заполнение разрешенных зон начинается с самой глубокой (как и в изолированном атоме), а наивысшая зона, полностью заполненная при Т = 0 К, называется валентной. Следующая зона, на которой могут находиться электроны, является зоной проводимости. У диэлектриков и полупроводников она является свободной, а у металлов она частично заполнена. Если к металлу приложить электрическое поле, то электроны, набирая энергию в этом поле, поднимаются по квазинепрерывным энергетическим уровням в пределах зоны проводимости, т.е. по металлу будет протекать электрический ток.

Выход электронов во внешнее пространство, т.е. электронная эмиссия, будет происходить, если электроны каким-либо способом приобретут энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Сообщить электронам энергию, достаточную для их эмиссии, можно нагревая вещество до температур выше 1000 К, подвергая его воздействию коротковолнового излучения (ультрафиолета, рентгеновского излучения), создав на границе твердое тело-вакуум высокое напряжение (напряженностью ) и другими способами. Соответственно различают термоэлектронную эмиссию, фотоэлектронную эмиссию, автоэлектронную (полевую) эмиссию и др. Достаточно просто осуществить термоэлектронную эмиссию, которая обычно и используется для технологических целей. Остановимся на ней более подробно.

Для эффективной термоэлектронной эмиссии из чистых металлов их нагревают до температур выше 1000 К. Источником энергии, необходимой для преодоления потенциального барьера, в этом случае являются тепловые колебания кристаллической решетки. Плотность тока термоэлектронной эмиссии можно определить по формуле Ричардсона-Дэшмана:

, (2.1)

где Т - температура тела,- работа выхода, , k - константы.

В зависимости от технологических целей в качестве эмиттеров используют различные материалы. Если необходима высокая стабильность эмиссионного тока, устойчивость к ионной бомбардировке и воздействию агрессивных сред, то в этом случае используются чисто металлические эмиттеры электронов. Термокатоды из тугоплавких материалов (вольфрам, тантал и др.) нагревают до 2000-2800 К, при этом термоэмиссионный ток составляет несколько сот миллиампер на квадратный сантиметр.

Для увеличения плотности эмиссионного тока в качестве материала для термокатодов используют сплавы тугоплавких (вольфрам, тантал, рений, иридий) и относительно легкоплавких (церий, лантан, цирконий и др.) металлов. В этом случае механическая прочность обеспечивается тугоплавким компонентом, а легкоплавкий, образуя тонкую пленку на поверхности эмиттера, повышает величину тока эмиссии благодаря меньшей работе выхода по сравнению с тугоплавким металлом.

Понижение температуры нагрева и увеличение эффективности работы достигается применением оксидных термокатодов на основе окислов металлов. Для их изготовления металлическая подложка (W, Ta, Ni) покрывается слоем толщиной около 0,05 мм полупроводниковой смеси (BaO, SrO).

Для работы в относительно плохих вакуумных условиях (около 0,1 Па) используются термокатоды из тугоплавких боридов, щелочно- и редкоземельных металлов (например, гексаборид лантана ).

Для технологических целей обычно требуются электронные пучки, ускоренные внешним электрическим полем до больших энергий (100-200 КэВ) и имеющие достаточно большую плотность. Для предотвращения расплывания интенсивных потоков одноименно заряженных частиц (вследствие электростатического отталкивания частиц) применяются различные методы фокусировки: магнитные, электростатические или газовые. Принципы, положенные в основу фокусировки заряженных частиц, одинаковы и для электронных, и для ионных пучков. Рассмотрим их более подробно.

Магнитная фокусировка . Траектории заряженных частиц пучка в продольном магнитном поле в предположении, что взаимодействием между частицами отсутствует, представляют собой спирали, навитые на магнитные силовые линии, и поток частиц будет сохранять неизменными свои поперечные размеры. Но даже в отсутствие столкновений между частицами, наличие объемного заряда существенным образом меняет траекторию движения частиц, что приведет к увеличению сечения пучка. Соответствующий расчет показывает, что для сохранения первоначального поперечного размера пучка требуется бесконечно большое однородное магнитное поле. Таким образом, наложение продольного магнитного поля на поток заряженных частиц приводит лишь к уменьшению его поперечного расплывания.

Для увеличения фокусирующей способности магнитного поля используются магнитные линзы различной конструкции. Короткий соленоид, осесимметричный с пучком, представляет собой наиболее простую магнитную линзу. Чем он короче, тем короче будет фокусное расстояние. Для уменьшения фокусного расстояния соленоид помещают в толстостенный железный экран. Магнитные линзы с такой конфигурацией магнитного поля обладают «мягкой» фокусирующей способностью.

Более «жесткую» фокусировку имеют многополюсные магнитные линзы, создающие поля поперек движения пучка. Например, квадрупольная линза имеет четыре полюсные наконечники, расположенные осесимметрично через в плоскости, перпендикулярной движению пучка. Соседние полюсные наконечники имеют противоположные полярности, а противоположные – одинаковые полярности. Полюсные наконечники могут изготавливаться как постоянные магниты из магнитожестких материалов (сплавы альнико, самарий-кобальт) или как электромагниты. При прохождении квадрупольной линзы поток частиц фокусируется лишь в одной плоскости и дефокусируется в перпендикулярной плоскости. Поэтому для фокусировки пучка в обеих плоскостях необходимо использовать две квадрупольные линзы, повернутые относительно друг друга на . Для устранения астигматизма и других искажений, возникающих при фокусировке пучка, используются более сложные системы: из двух или более пар квадрупольных линз, три квадрупольные линзы, повернутые относительно друг друга на и т.п.

Электростатическая фокусировка. Движение электронов в электрических полях имеет определенную аналогию с распространением света в оптических системах (правда, далеко не полную: например, фотоны, в отличие от электронов, не испытывают взаимного отталкивания). Если заряженная частица движется в пространстве с потенциалом U , то играет роль электроннооптического показателя преломления. Следовательно, изменяя U в широких пределах можно изменять траекторию движения заряженных частиц. При конструировании оптических систем обычно требуется найти конфигурацию электродов, обеспечивающих движение заряженных частиц по заданным траекториям. Однако решить эту математическую задачу можно только в самых простых случаях, поэтому используется метод последовательных приближений: вначале определяются траектории заряженных частиц для электродов заданной формы и фиксированных потенциалов на них. Если полученные траектории не совпадают с требуемыми, то изменяют форму или потенциалы электродов, пока траектории частиц не будут совпадать с требуемыми.

Газовая фокусировка . Физическая сущность газовой фокусировки состоит в следующем. При движении заряженных частиц в газе при достаточно низком давлении, не разрушающем пучок, происходит столкновение частиц с атомами и ионизация последних. При этом в зоне распространения быстрого пучка заряженных частиц появляются медленные заряженные частицы обоих знаков. Детальное исследование динамики медленных заряженных частиц показывает, что та часть из них, которая имеет знак заряда, одноименный с быстрым пучком, интенсивно выталкивается из зоны распространения пучка на стенки. В результате этого процесса происходит частичная компенсация объемного заряда пучка и сильное уменьшение его расплывания.

2.2. Взаимодействие электронных пучков с твердым телом

Современные электронно-оптические системы позволяют получать интенсивные электронные пучки, распространяющиеся с большой скоростью в направлении мишени (обрабатываемая деталь, экран кинескопа и т.д.). Энергия пучка электронов, его сфокусированность, направление на мишень и другие параметры потока заряженных частиц сравнительно легко поддаются дистанционному управлению. На своем пути к поверхности мишени электроны претерпевают столкновения с частицами газовой среды, изменяя свою энергию и направление движения. Чтобы поверхности мишени достигала значительная часть электронного пучка, в установке следует поддерживать давление газов на уровне не менее чем Па. Создание соответствующего вакуума в установке осуществляется с помощью одно- или двухступенчатой системы вакуумных насосов, мощность откачки которых должна быть достаточной для ведения технологического процесса (при облучении электронами обрабатываемого объекта возможно интенсивное выделение газов и паров).


Рис. 2.1. Схема установки для электроннолучевой обработки

1- катод; 2- система центрирования; 3-вакуумная камера; 4-обрабатываемая заготовка; 5-магнитная линза для фокусировки; 6- магнитная линза; 7- электронный пучок; 8- анод.

Процессы, происходящие при взаимодействии пучка энергичных электронов с поверхностью, отличаются большим разнообразием. Более подробно рассмотрим те из них, которые существенны для протекания технологического процесса или они лежат в основе современной диагностики и анализа происходящих процессов. С энергетической точки зрения акты взаимодействия электронов можно разделить на два основных класса – упругие и неупругие взаимодействия . Неупругие взаимодействия сопровождаются переходом кинетической энергии электронов в другие виды энергии. При упругих взаимодействиях частицы обмениваются энергией и импульсом, однако в этом случае соблюдаются законы сохранения энергии и импульса частиц, участвующих в процессе. Из этих законов следует, что потеря энергии частицей при взаимодействии с другой частицей тем меньше, чем сильнее они отличаются по массам. Поэтому при столкновении электрона с атомом, отличающихся по массам более чем на три порядка, потери энергии электрона меньше тысячной доли его первоначальной энергии. Для технологических целей энергия электронов обычно не превышает 100 – 200 кэВ. В этом диапазоне энергий при упругом столкновении электрона с атомом может происходить смещение атома из его положения равновесия и по атомной цепочке распространяется упругая волна, энергия которой квантуется. Квант ее энергии называется фононом. Таким образом, при взаимодействии электрона с атомом происходит рассеяние электрона почти без потери энергии (квазиупруго), а в твердом теле возбуждается один или несколько фононов. Если переданной энергии недостаточно для возбуждения фонона, то энергия электрона сохраняется, он только изменяет направление своего движения. При углах отклонения, близких к , электроны могут возвратиться в вакуум. Эти электроны называются упруго отраженными .

Многие процессы взаимодействия электронов с твердым телом сопровождаются не только изменением направления движения частиц, но и уменьшением их энергии. При взаимодействии движущихся электронов с полем вещества происходит их торможение, сопровождающееся по законам электродинамики возникновением электромагнитного излучения. Это излучение имеет непрерывный спектр и называется тормозным излучением . Оно широко используется в источниках рентгеновских лучей.

При энергиях электронов, используемых для технологических целей, потери энергии с тормозным (а также и с некоторыми другими видами излучений) сравнительно невелики. Основные энергетические потери связаны с возбуждением электронной системы вещества. Электрон-электронные взаимодействия в твердом теле подразделяются на коллективные и одночастичные. При взаимодействии первичного электрона с совокупностью валентных электронов твердого тела (коллективное взаимодействие), которые в этом случае можно рассматривать как электронную плазму, возникают квантованные колебания электронной плотности. Квант энергии плазменных колебаний, обладающий определенным значением энергии и импульса, называется плазмоном. Через время порядка с плазмоны распадаются, выделившаяся при этом энергия (эВ) либо уносится электромагнитным излучением, либо передается твердому телу.

При одночастичном взаимодействии энергия первичного электрона расходуется на возбуждение и ионизацию атомов твердого тела, электроны которого могут при этом получить энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум. Это явление называется вторичной электронной эмиссией . Вторичная электронная эмиссия используется для анализа состояния поверхности твердого тела, а также широко применяется в различных электровакуумных приборах (фотоумножителях, усилителях яркости изображения и т.д.).

Вакансии, образовавшиеся на одном из внутренних уровней энергии атома при уходе электронов из-за ионизации, заполняются электронами, находящимися на вышележащих энергетических уровнях. Возможен процесс, когда выделяющаяся при этом дискретная порция энергии безызлучательно расходуется на перевод одного из связанных электронов в вакуум (оже-эффект). По энергии оже-электрона, покинувшего твердое тело без энергетических потерь, можно судить о природе атома, в котором произошел переход. Измерение энергий и интенсивности потоков оже-электронов лежит в основе электронной оже-спектроскопии.

В результате электрон-электроных взаимодействий происходит также неупругое отражение части первичных электронов. При этом часть энергии электронного пучка уносится из вещества, существенно уменьшая КПД технологического процесса (коэффициент неупругого отражения составляет десятки процентов).

Вследствие появления возбужденных электронов в зоне проводимости и «дырок» в валентной зоне при электронном облучении мишени происходит увеличение проводимости вещества (радиационная или наведенная проводимость ). При рекомбинации возбужденных электронов с носителями заряда противоположного знака выделяемая энергия преобразуется различными способами, в том числе возможно рекомбинационное излучение , называемое также люминесценцией . Широкое применение это явление получило при создания люминесцентных экранов электронно-лучевых приборов.

При электронных переходах или ионизации резко изменяются силы взаимодействия между соседними атомами, при этом происходит изменение расположения атомов. Это может привести к электронно-стимулированной десорбции примесей и посторонних включений обрабатываемой детали; химическим реакциям , обусловленным электронной бомбардировкой; а также образованию дефектов в кристаллической решетке.

Энергия электронного пучка при его взаимодействии с мишенью, за исключением той части, которая уносится отраженными электронами, эмитированными с поверхности электронами, фотонами и атомами, поглощается веществом мишени и переходит в теплоту. Этот процесс играет очень важную роль в технологии и используется для электронно-лучевого нагрева вещества. При нагреве происходит целый ряд термических процессов: плавление, испарение, рекристаллизация, отжиг и т.д.

При облучении вещества электронным пучком наиболее сильное взаимодействие с материалом мишени наблюдается при сравнительно небольших энергиях электронов. Поэтому максимальное выделение энергии пучка наблюдается не на поверхности, где энергия электронов еще велика, а в объеме тела мишени, на некоторой глубине. Достоинством электронно-лучевого воздействия на вещество является возможность достичь очень высокой концентрации тепловой энергии. Это позволяет эффективно проводить целый ряд технологических процессов, протекающих при высокой температуре.

2.3. Применение электронных пучков для технологических целей

С помощью плотных электронных пучков, ускоренных до энергий в несколько сотен килоэлектронвольт, возможно проводить такие технологические операции как термообработка, плавление, испарение, сварка, размерная обработка и др. Особенностью применения электронных пучков в технологических процессах является отсутствие непосредственного силового контакта между инструментом и обрабатываемой деталью; параметры, при которых производится обработка, не зависят от механических свойств заготовки (твердость, прочность), а определяются физическими характеристиками материала (теплопроводность, температура плавления и др.). Основными достоинствами электроннолучевой обработки является возможность прецизионной обработки зоны весьма малого размера при большой тепловой мощности, выделяемой в месте воздействия луча. Система управления электронным пучком позволяет удобно изменять положение луча; за счет его фокусировки плавно регулировать удельную мощность в месте нагрева. К недостаткам электроннолучевой обработки следует отнести необходимость осуществления технологических операций при высоком вакууме, что требует использования дорогостоящего оборудования, сложного в эксплуатации. Однако, наличие вакуума, с другой стороны, позволяет осуществлять при электроннолучевой обработке такие технологические процессы, которые невозможно провести по другому ( например, выплавка в вакууме многих сплавов титана, вольфрама, молибдена и др.). Рассмотрим некоторые особенности основных технологических операций при электроннолучевой обработке.

Электроннолучевая плавка. Используется для получения особо чистых металлов. Нагрев электронным пучком в вакууме позволяет осуществить более высокий перегрев жидкого металла в ванне, что существенно для эффективной дегазации металла и удаления летучих примесей. Прямой нагрев поверхности металла электронным пучком позволяет минимизировать загрязнение расплавленного металла материалом тигля или нагревательного элемента. Наличие вакуума позволяет осуществлять плавку химически активных металлов, которые вступают в реакции с газами, входящими в состав атмосферного воздуха. При плавке в вакууме происходит интенсивное удаление растворенных в металле газов; многие примеси при высоких температурах разлагаются и удаляются из зоны плавления вакуумными насосами. Все это способствует очистке переплавляемого металла от различных включений и улучшению его технических характеристик. Промышленные установки для плавления металлов с помощью электронных пучков имеют сравнительно высокую производительность: этим методом получают слитки металла массой в несколько десятков тонн.

Электроннолучевая сварка. Представляет собой локальное плавление материала с последующим его затвердеванием. Электроннолучевая сварка позволяет осуществить локальное плавление с небольшим объемом ванны расплавленного материала. В результате минимизируются деформации и напряжения, возникающие в материале после сварки. Поэтому возможно сваривать окончательно обработанные детали с минимальной их дальнейшей доработкой или вовсе без нее (например, закрепление на валу обработанных механически и термически шестерен зубчатых передач, сваривать шевронное колесо из двух косозубых колес и др.).

Электроннолучевую сварку целесообразно использовать для обработки толстостенных деталей. Это связано с тем, что при большой удельной мощности электронного луча осуществляется интенсивное испарение материала с поверхности. Под действием реакции паров происходит значительное углубление сварочной ванны, в результате получаются сварные швы с глубоким, так называемым, «кинжальным» проплавлением (20-30 см за один проход луча). Благодаря тому, что электроннолучевая сварка осуществляется в вакууме, качество сварного соединения получается выше, чем при сварке в защитных газах. Это способствует широкому применению этого вида сварки при изготовлении деталей из вольфрама, титана, молибдена, циркония и др.

Размерная обработка электронным пучком. При достаточно большой удельной мощности пучка электронов скорость испарения и давления пара возрастают настолько, что расплавленный материал выбрасывается из зоны обработки. Этот эффект используется для резки материалов, получения деталей определенного профиля, изготовления отверстий, перфорирования материалов. Особо широко электронные пучки используются для обработки твердых материалов (алмаза, керамики, кристаллов кремния и германия и т.п.).

Помимо рассмотренных технологических операций, электронные пучки применяются также для электроннолучевого испарения вещества с целью получения тонких пленок, локальной термообработки материалов для закалки, отжига, очистки поверхности и других целей.

Контрольные вопросы

  1. Какие причины возникновения потенциального барьера для электронов на границе твердое тело-вакуум?
  2. Что такое работа выхода для электрона? Чему равна ее величина для металлов?
  3. Какие основные положения зонной теории?
  4. Какая зона называется валентной, зоной проводимости?
  5. Что такое электронная эмиссия?
  6. Назовите основные виды электронной эмиссии.
  7. Какие материалы используются для изготовления термокатодов?
  8. Какие причины расплывания интенсивных электронных пучков?
  9. Основные методы фокусировки пучков заряженных частиц.
  10. Сущность магнитной, электростатической и газовой фокусировок пучков заряженных частиц.
  11. Почему в установке для электроннолучевой обработки следует поддерживать низкое давление? Какая величина этого давления?
  12. Физическая сущность упругих и неупругих взаимодействий электронов с поверхностью твердого тела.
  13. Что такое фонон?
  14. Причины появления электронов упруго отраженных от поверхности.
  15. Вследствие каких причин появляется тормозное излучение?
  16. Причины появления плазмонов?
  17. Сущность вторичной электронной эмиссии.
  18. Оже-эффект, его использование в спектроскопии.
  19. Причины возникновения радиационной проводимости и рекомбинационного излучения.
  20. Физическая сущность десорбции, образования дефектов и химических реакций, стимулированных электронной бомбардировкой.
  21. Какая особенность присуща технологии обработки материалов с помощью электронных пучков?
  22. Достоинства и недостатки электроннолучевой обработки.
  23. Основные особенности электроннолучевой плавки и сварки, размерной обработки электронным пучком?

3. Физические основы ионной технологии.

3.1. Взаимодействие ионного пучка с твердым телом.

Ионные пучки достаточно просто получают из газоразрядной плазмы. Если поместить отрицательно заряженный электрод в плазму, то к нему устремятся положительно заряженные ионы. Электроны же плазмы отсекаются отрицательным потенциалом этого электрода. Выделенные электродом - экстрактором положительные ионы ускоряются в вакууме с помощью системы электродов и направляются на обрабатываемый образец – мишень. При транспортировке ионных пучков, также как и электронных, используется магнитная, электростатическая и газовая фокусировки. В зависимости от технологической необходимости в ионном источнике можно получить поток ионов различной энергии и плотности. Используя в качестве плазмообразующего газа самые разные химические вещества, можно получить ионы практически всех элементов таблицы Менделеева, атомарные, молекулярные, однозарядные и многозарядные, положительные и отрицательные. Все это позволяет использовать ионную обработку для самых разнообразных технологических целей.

При движении от ионной пушки к мишени, ионы сталкиваются с атомами и молекулами газов и паров, теряя энергию и направление движения. Происходит также явление перезарядки , заключающееся в том, что ион захватывает электрон у атома и продолжает движение в нейтральном состоянии, в котором он уже не поддается воздействию управляющей и фокусирующей систем установки. Чтобы эти явления не оказывали существенного влияния на технологический процесс, вакуум в системе должен быть не хуже, чем Па.

Когда расстояния между ионом и поверхностью становится порядка атомных, становятся возможны процессы нейтрализации иона одним из электронов мишени. При этом возможен оже-процесс, когда высвободившаяся энергия передается безызлучательно другому электрону твердого тела, который выходит в вакуум. Наблюдаемая в этом случае эмиссия электронов называется потенциальной электронной эмиссией. Она используется в ионно-нейтрализационной спектроскопии для анализа распределения энергетических состояний валентных электронов.

Под действием бомбардировки твердого тела происходить разрушение адсорбированных на поверхности химических соединений, десорбция инородных атомов и молекул, также возможно протекание между ними химических реакций, стимулированных ионным пучком. Эти явления используется для очистки поверхности твердого тела от загрязнений различного рода.

Проникнув в твердое тело ионы взаимодействуют с атомной структурой вещества, теряют свою энергию и рассеиваются. С энергетической точки зрения столкновения подразделяются на два класса: упругие и неупругие. Рассмотрим вкратце основные виды неупругих взаимодействий.

Также как и при электронной бомбардировке, при проникновении ионов в твердое тело при высоких энергиях налетающих частиц возможно появление тормозного и переходного излучения. При возбуждении электронов твердого тела в результате неупругих взаимодействий с энергичными ионами происходит увеличение числа свободных электронов и «дырок». Возбужденные электроны, имея энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера, могут выйти в вакуум. Это явление называется кинетической электронно-ионной эмиссией . При заполнении нижних свободных энергетических уровней вышележащими электронами выделившаяся дискретная порция энергии может быть передана безызлучательным путем другому электрон, который выходит в вакуум (оже-процесс ). Анализ энергий таких электронов лежит в основе ионной оже-спектроскопии.

Возникновение в результате ионной бомбардировки свободных электронов и «дырок» приводит к увеличению проводимости вещества (радиационная проводимость ).

При рекомбинации электронов и «дырок» возможно испускание квантов света (ионолюминесценция). Спектр их излучения лежит в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой области спектра. При заполнении глубоких электронных вакансий возможно появление характеристического рентгеновского излучения .

При ионной бомбардировке возможно изменение коэффициентов диффузии примесей (ионно-стимулированная диффузия ), образование радиационных дефектов или же происходит радиационно–стимулированный отжиг , в облучаемом объеме могут стимулироваться различные химические реакции .

Рассмотрим процессы, происходящие при упругом взаимодействии потока ионов с твердым телом. При взаимодействии с атомами вещества возможно отражение ионов от твердого тела. Анализ энергии и углов отражения ионов позволяет определить элементный состав поверхности мишени (метод обратного рассеяния медленных ионов) и распределение атомов по глубине (метод обратного рассеяния быстрых ионов).

Под действием потока энергичных ионов атомы мишени смещаются с положений равновесия, при достаточной энергии происходит выбивание атомов из узлов кристаллической решетки. Таким образом, в твердом теле появляются радиационные дефекты . Значительное их количество может привести к изменению механических, электрических, оптических и других свойств твердого тела. Образование дефектов может привести к фазовым переходам (например, переходу из кристаллического в аморфное состояние). Упругие процессы, также как и неупругие, ведут к радиационно-стимулированной диффузии и отжигу .

В результате каскада столкновений атомы мишени могут получить импульс, направленный в сторону границы твердое тело-вакуум и выйти из мишени. Таким образом происходит распыление вещества, широко используемое для очистки поверхности мишени или удаления материала с определенных участков образца (ионное травление). Распыление вещества с последующим его осаждением на подложку позволяет осуществить напыление тонких пленок . Анализ распыленных частиц дает представление о составе мишени (вторичная ионная масс-спектрометрия).

3.2 Основные направления использования ионных пучков для технологических целей.

Распыление поверхности твердых тел. Пучки ионов используются для механической обработки поверхности: удаления материала с поверхности, ее шлифовки, полировки, очистке от загрязнений. Суть метода состоит в том, что при столкновении потока быстрых ионов с поверхностью твердого тела происходит выбивания атомов с поверхности и приповерхностного слоя в вакуум. Наиболее существенное значение для организации технологического процесса имеет величина коэффициента распыления атомов мишени быстрыми ионами - Y. Численно он равен количеству атомов, распыляемых одним ионом. Его величина существенно зависит от энергии ионов (обычно десятки кэВ), массы быстрых ионов, угла падения ионов на поверхность (Y увеличивается при отклонении пучка от нормали к поверхности с достижения максимума при углах ), от температуры поверхности и многих других параметров. Обычно используются технологические процессы где Y= 1-10.

Легирование поверхностного слоя . Внедрение в тонкий (толщиной в несколько атомов) поверхностный слой материала других элементов позволяет резко снизить реакции окисления и получить структуры типа нержавеющих сталей без существенного изменения механических свойств всей мишени или целенаправленно их улучшить. Например, при бомбардировке металла ионами азота можно не только повысить его коррозионную стойкость, но и увеличить его износоустойчивость. Если подвергнуть металл бомбардировке ионами инертных газов, то существенно уменьшаются скорости коррозии. Это связано с тем, что в результате ионного внедрения в поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, ведущие к закупорке трещин и уменьшению поверхностной диффузии кислорода. С помощью ионной бомбардировки возможно создание инородной защитной пленки (например, пленки , получаемой при внедрении в кремний ионов азота).

Изменение химических свойств материалов . Ионной бомбардировкой полупроводников можно увеличить их химическую активность. К примеру, после ионной обработки возрастает скорость растворения кремния в обычных травителях, аморфизированный таким образом кремний, в отличие от кристаллического, растворяется в плавиковой кислоте. Изменение химических свойств материалов при ионной бомбардировке нашло широкое применение в микроэлектронике при изготовлении микросхем, используется, например, при изготовлении фильтров: облучая полимерную пленку энергичными ионами, получают сквозные микропоры, после соответствующей химической обработки которых, образуются калиброванные отверстия очень малых размеров (несколько нанометров).

Ионная имплантация. В результате ионной бомбардировки в мишени появляются примесные атомы, при соответствующем выборе материалов они могут быть как акцепторными (увеличивают дырочную проводимость, например, трехвалентный бор в кристалле четырехвалентного кремния) так и донорными (поставляют в зону проводимости электроны, например, пятивалентный мышьяк в кремнии). Ионная имплантация используется для создания в полупроводниках р-n переходов. Однако следует иметь в виду, что нужными свойствами примесные атомы обладают, занимая определенное место в кристаллической решетке. Например, атом лития, внедренный в кремний, является эффективным донором если находится в междуузельных положениях, а атом бора будет акцептором лишь в узлах кристаллической решетки. Нужного положения внедренного атома добиваются с помощью высокотемпературной обработки. Однако, при ионной имплантации не требуются такие высокие температуры, как при получении р-n переходов с помощью термодиффузии.

Изменение электропроводности металлов . Сопротивление металлов движению электронов определяется неидеальностью кристаллической решетки, связанной а) с ее тепловыми флуктуациями, б) с наличием дефектов в ее структуре. При достаточно большой дозе облучения вторая составляющая электросопротивления может оказаться преобладающей. Так как составляющая электрического сопротивления металлов, связанная с дефектами кристаллической решетки, практически не меняется с температурой в некотором диапазоне ее изменения, то, при ее доминировании, можно получить резистор, сопротивление которого не зависит от температуры.

Получение тонкопленочных покрытий . При достаточно малых энергиях ионов возможно их осаждение на твердые подложки с получением монокристаллических пленок (ионная эпитаксия). При этом можно получать пленки с высокой плотностью, с малым числом дефектов кристаллической структуры, с хорошей адгезией. Таким способом, например, стало возможным получать углеродные пленки, которые близки по своим свойствам к алмазу (алмазные и алмазоподобные пленки).

Широкое применение ионные пучки получили во многих других технологических процессах: в ионной металлургии, в ионном синтезе, для изменения оптических и механических свойств материалов и т.п.

Контрольные вопросы

  1. Каким образом можно получить пучок ионов из газоразрядной плазмы?
  2. Методы фокусировки, использующиеся при транспортировке ионных пучков.
  3. Какие виды ионов используются для технологических целей?
  4. Сущность явления перезарядки.
  5. Почему в установке для ионной обработки необходимо поддерживать вакуум? Какой величины должно быть давление в вакуумной системе?
  6. Физическая сущность потенциальной электронной эмиссии.
  7. Какие физические явления протекают на поверхности твердого тела?
  8. Причины появления тормозного и переходного излучений.
  9. Сущность кинетической электронно-ионной эмиссии.
  10. Что такое оже- процесс?
  11. Какие причины вызывают радиационную проводимость?
  12. При каких условиях появляется характеристическое рентгеновское излучение?
  13. Причины ионно-стимулированной диффузии, образования радиационных дефектов и радиационно-стимулированного отжига.
  14. Для каких целей используется анализ обратного рассеяния медленных и быстрых ионов?
  15. Сущность вторичной ионной масс-спектроскопии.
  16. Укажите цели, для каких применяется распыление вещества.
  17. Что такое коэффициент распыления атомов мишени? От каких физических параметров он зависит?
  18. Для каких целей используется легирование поверхностного слоя?
  19. Приведите примеры использования явления изменения химических свойств материалов.
  20. Сущность ионной имплантации.
  21. Причины изменения электропроводности материалов при облучении ионами.
  22. При каких энергиях ионов происходит получение тонких пленок?

4. Основы лазерной обработки

4.1. Источники лазерного излучения

Использование лазеров позволили создать новые технологии с уникальными возможностями. В основе этих технологий лежат необыкновенные свойства лазерного излучения, которое является когерентным (все частицы излучают согласованно, синфазно), в высокой степени монохроматичным (одной частоты), мощность излучения может достигать рекордных величин. Во время кратковременного импульса лазерного излучения (с) в узком интервале спектра мощность может достигать значений . Для сравнения мощность излучения Солнца по всему спектру равна . Электрическое поле в электромагнитной волне, излучаемой лазером, достигает напряженности , что превышает напряженность поля внутри атома. Лазерный луч при распространении почти не расширяется (угол расхождения пучка около рад). Оптическими приборами лазерный луч можно сфокусировать в точку, диаметр которой составляет тысячные доли миллиметра.

Первый твердотельный рубиновый лазер, работающий в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм) был создан в 1960 г Т. Мейманом (США). Рубин представляет собой кристалл оксида алюминия , в котором некоторые из атомов алюминия замещены трехвалентными ионами хрома. При облучении кристалла рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят с нижнего энергетического уровня на уровни широкой полосы и . Поскольку время жизни атома хрома в возбужденном состоянии мало (меньше с), то происходят либо спонтанные переходы (они незначительны), либо наиболее вероятные переходы на метастабильный уровень с передачей выделившейся энергии кристаллической решетке рубина. При достаточной мощности накачки концентрация атомов на уровне будет гораздо больше, чем на уровне , таким образом возникает среда с инверсной населенностью

Рис. 4.1. Энергетические уровня . В такой среде случайный фотон, появившийся

уровни рубина при спонтанном переходе, может инициировать множество

вынужденных переходов - с излучением лавины вторичных фотонов, являющихся копией первичных. Это приводит к зарождению лазерной генерации.

Почти одновременно с твердотельным в 1960 году появился газовый лазер. Активной средой в нем была смесь гелия и неона. В настоящее время известно много веществ, пригодных для использования в лазерах. Кроме твердотельных и газовых, нашли широкое применение полупроводниковые и жидкостные лазеры. Для возбуждения газовых лазеров оптическая накачка почти не применяется, в этом случае более эффективной является накачка с помощью электрического разряда, газодинамическое истечение (газодинамический лазер), химические реакции (химический лазер). Для возбуждения полупроводниковых лазеров применяется непосредственно постоянный электрический ток, пучок электронов, оптическая накачка. В различных областях науки и техники, медицины получили распространение лазеры на красителях, эксимерные лазеры. Существующие лазеры в сумме позволяют получать излучение, перекрывающее широкий диапазон длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного.

4.2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

В настоящее время лазерное излучение является наиболее концентрированным источником энергии с высокой плотностью мощности излучения. Широко используется для организации технологических процессов, требующих большой мощности источника энергии: для лазерной сварки, резки, термообработки и др. Хотя по плотности потока энергии лазерный луч превосходит электронные пучки, тем не менее, при лазерной обработке достигается меньшая глубина проплавления, чем в случае применения электронных пучков той же мощности. Это связано как с различной физической природой носителей энергии (поток электронов в одном случае, и фотонов, в другом), так и с разными условиями осуществления взаимодействия с поверхностью. Электроннолучевая обработка происходит в вакуумных условиях, а при использовании лазеров можно проводить технологический процесс при атмосферном давлении. При лазерной обработке, если в этом есть необходимость, можно использовать технологический процесс в атмосфере защитного газа. При большой плотности мощности лазерного излучения в газовой среде происходит интенсивная ионизация и возникает низкотемпературная плазма. В плазме происходит поглощение и рассеяние излучения, вследствие чего снижается концентрация энергии лазерного пучка.

Возникновение плазменного факела возможно в силу нескольких причин. Плазма может возникнуть в силу термической ионизации паров вещества мишени: при облучении лазером поверхности происходит испарение вещества и интенсивное поглощение излучения в парах, быстрый рост температуры и степени ионизации. Плазма также может образоваться в результате лавинной ионизации газа у поверхности твердого тела. На этот процесс существенное влияние оказывает дополнительный нагрев газа при контакте с горячей поверхностью, прогрев газа ударной волной испаряющегося вещества, эмиссия электронов с поверхности, наличие микронеровностей поверхности и т.п. Образование плазмы ведет к оптическому пробою газа (лазерная искра ), который распространяется в направлении от поверхности навстречу излучению. Передний фронт плазмы останавливается там, где поступление энергии от лазерного луча компенсирует потери энергии в окружающую среду. При оптическом пробое наблюдается яркая вспышка света и резкий шум. Механизм возникновения лазерной искры связан с ионизацией электронным ударом и последующим образованием электронной лавины (электроны набирают энергию, поглощая фотоны при столкновении с атомами – это процесс обратный тормозному излучению при столкновению с атомами), а также с многофотонной ионизацией (однофотонная ионизация невозможна из-за небольшой энергии фотона, например, энергия фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ, а потенциал ионизации аргона 15,8 эВ).

Изменение показателя преломления среды при распространении лазерного луча в плазме ведет к его перефокусировке . В зависимости от радиального распределения плотности электронов в плазме возможны два предельных случая. Если границы плазмы размыты и плотность электронов плазмы распределена по нормальному закону, произойдет расфокусировка луча (плотность электронов на оси максимальна, диэлектрическая постоянная минимальна в центре, луч, как в рассеивающей линзе, будет отклоняться к периферии плазмы). В случае плазмы с четко выраженным ядром, в котором плотность электронов постоянна и резко падает на периферии, преломление лучей возрастает при увеличении их угла наклона к поверхности плазмы, что ведет к смещению фокальной плоскости навстречу потоку излучения.

При взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металла возникает паровой сгусток, который увеличивает коэффициент поглощения излучения. Возникающее вследствие этого экранирование проплавляемого участка приводит к остановке процесса испарения. Вследствие нагрева лазерным излучением паровой сгусток через небольшой промежуток времени разлетается, мощность потока излучения, падающего на поверхность металла, восстанавливается и процесс плавления металла продолжается. Таким образом, процесс плавления металла является периодическим .

Падающее на поверхность металла лазерное излучение, за исключением отраженного от поверхности, практически полностью поглощается электронами проводимости в приповерхностном слое толщиной (0,1-1) мкм. В течение короткого промежутка времени с энергия электронов лишь в незначительной части передается кристаллической решетке металла. Поэтому в течение этого промежутка времени температура электронов будет значительно больше, чем температура решетки. Время релаксации, в течение которого температуры выравниваются (при условии, что плотность мощности излучения в зоне обработки не превышает ), составляет с. При лазерном нагреве передача теплоты вглубь металла в основном осуществляется посредством электронной проводимости, как и при обычных способах нагрева.

Для уменьшения энергетических потерь из-за частичного отражения лазерного излучения увеличивают коэффициент поглощения поверхности с помощью специальных покрытий или же с помощью соответствующей обработки увеличивают степень ее шероховатости. Поглощающие покрытия не используются в случае лазерной сварки и резки. При глубоком проплавлении металла эффективность нагрева увеличивается из-за поглощения излучения стенками глубокого и узкого канала.

При нагреве до высоких температур высокоактивных металлов, сплавов и легированных сталей в качестве защитной среды используют одноатомные инертные газы – аргон и гелий. Для низколегированных сталей и различных конструкционных материалов в качестве защитных газов используются углекислый газ и азот. Состав защитной атмосферы существенным образом влияет на величину глубины проплавления.

4.3. Основные виды лазерной обработки

Нагрев излучением лазера, плавление. Используется для термоупрочнения материалов (закалка изделий из стали и чугуна: зубьев шестерен, валов, осей и т.п.). Технологический процесс проще, чем при закалке токами высокой частоты: не требуется изготавливать для каждой детали свой индуктор. Зоны закалки получаются более узкими, возрастает производительность труда. Закалка делает поверхность твердой и устойчивой к трению. При этом основная масса детали остается упругой и вязкой. Такая деталь является устойчивой и к трению, и к ударам. Лазерный нагрев используется для отжига фольги, движущейся с большой скоростью, для создания термического напряжения и термораскалывания по траектории движения луча в изделиях из стекла, керамики.

Лазерная сварка . Применяется для тонколистовых материалов и малогабаритных деталей. Лазер позволяет легко автоматизировать сварку, сваривать материалы, которые обычным способом соединить нельзя. Сварка герметичным швом позволяет осуществить герметизацию корпусов, заполненных веществом, разогревать которые недопустимо (например, корпуса аккумуляторов с электролитом). Широко используется точечная сварка. В автомобилестроении лазерным излучением сваривают детали кузова, карданные валы, шестерни коробки передач. Лазеры применяют для сварки неметалличесих материалов (стекла, керамики).

Резка и размерная обработка . При этом виде обработки происходит локальное расплавление материала и его удаление под действием силы тяжести, газовой струи или конвективного потока. Использование лазерного излучения позволяет резать материалы любой прочности и твердости с высокой скоростью и точностью (обработка металлокерамики, материалов на основе бора и углерода). С успехом используется в деревообрабатывающей промышленности, для резки бумаги и картона.

Лазерное легирование . Широко применяется для создания износостойких покрытий (лазерная цементация углеродом, азотирование, борирование). Процесс заключается в нанесении на поверхность специальных обмазок или паст и дальнейшим их оплавлением лазерным излучением.

Наплавка лазерным излучением . Производится оплавление предварительно нанесенных порошковых паст, напыленных покрытий, наплавка присадочного порошка или проволоки, подаваемых в зону обработки. Широко используется для увеличения прочности инструмента или наиболее нагруженных деталей машин.

В настоящее время лазерные технологии получили весьма широкое применение во всех основных сферах человеческой деятельности. Кроме лазерной обработки материалов следует отметить такие области использование лазеров, как лазерный термоядерный синтез, лазерная химия, лазерная спектроскопия, лазерная связь и многие другие. Лазерный луч с успехом используется в медицине для лечения различных заболеваний и в качестве точного скальпеля. Особенно удобным он оказался в офтальмологии. С его помощью хирурги делают глазные операции, возвращая зрение тысячам больных.

Контрольные вопросы

  1. Какими необыкновенными свойствами обладает лазерный луч?
  2. Принцип действия твердотельного лазера.
  3. Что такое инверсная населенность?
  4. Какие вещества используются в лазерах?
  5. Почему при лазерной обработке достигается меньшая глубина проплавления, чем при электроннолучевой?
  6. Причина возникновения плазменного факела при большой мощности лазерного излучения.
  7. Сущность оптического пробоя газа (лазерной искры).
  8. Причины перефокусировки лазерного луча в плазменном факеле.
  9. Почему при лазерной обработке процесс плавления металла может быть периодическим?
  10. При каких условиях при лазерной обработке металла температура электронов может значительно превышать температуру решетки?
  11. Механизм теплопроводности при лазерном нагреве.
  12. Каким образом можно уменьшить потери из-за частичного отражения лазерного луча от обрабатываемой поверхности?
  13. Какие газы используются в качестве защитных при лазерной обработке?
  14. Охарактеризуйте основные лазерные технологии: нагрев, плавление, сварка, резка, легирование, наплавка.
  15. Применение лазера в медицине.

5. Плазменная технология

5.1. Физические характеристики плазмы

Плазмой называется газ, значительная часть которого ионизована. При сильном нагревании любого вещества оно превращается в газ, при дальнейшем повышении температуры скорости движения частиц газа (молекул или атомов) возрастают настолько, что при взаимных столкновениях их кинетической энергии достаточно для ионизации газа. Кроме термической ионизации можно осуществить фотоионизацию (при взаимодействии с электромагнитным излучением), ионизацию бомбардировкой газа заряженными частицами и др. Название плазма было предложено в 1923 г. Л. Тонксом и И. Лэнгмюром. В плазменном состоянии в веществе, помимо нейтральных молекул и атомов, присутствуют заряженные частицы – электроны и ионы. Это делает плазму хорошим проводником электрического тока, что широко используется для различных практических целей. Для технологических целей плазма используется в основном тогда, когда требуется высокотемпературный концентрированный нагрев значительных объемов заготовки. В настоящее время в промышленности широко используется плазменная сварка, резка металлов; плазменная наплавка и напыление тугоплавких и сверх прочных металлов и сплавов, плазменная химия и т.п.

Для технологических целей получение плазмы осуществляют в плазмотронах - специальных устройствах, в которых используется электрический дуговой разряд, тлеющий разряд, высокочастотные и сверхвысокочастотные разряды, протекающие в различных плазмообразующих газах. Остановимся более детально на свойствах плазмы.

Для более точного определения плазмы используется понятие ее квазинейтральности. Квазинейтральность плазмы означает, что число положительных и отрицательных зарядов в ней почти одинаково , а возникающие в плазме электрические поля приводят к восстановлению равенства разноименных зарядов, если в силу каких либо причин это равенство нарушается (например, вследствие тепловых флуктуаций). При уменьшении объема плазмы может наступить момент, когда число частиц будет настолько мало, что условие квазинейтральности не соблюдается. Объем, начиная с которого нарушается квазинейтральность плазмы, определяется так называемым дебаевским радиусом экранирования (по имени голландского физика П. Дебая):

, (5.1)

где k- постоянная Больцмана, - температура электронов в кельвинах, n - плотность электронов, e - заряд электрона.

Таким образом, чтобы плазма сохраняла квазинейтральность, ее линейные размеры должны намного превосходить дебаевский радиус . Для технологических нужд применяется плазма, в которой дебаевский радиус экранирования может достигать десятков метров.

Степень ионизации плазмы - представляет собой отношении в плазме заряженных и нейтральных частиц. В реальных установках степень ионизации плазмы колеблется от 0 до 100%.

В плазме температура составляющих ее частиц может быть различной (неизотермическая плазма). Поэтому вводят понятие электронной , ионной и температуры нейтральных частиц . В плазме разряда электроны, как более легкие частицы, быстрее набирают энергию от электрического поля и их температура выше. При низких давлениях плазмы разница между температурами электронов и ионов может достигать нескольких порядков. В технологических установках обычно применяют достаточно плотную плазму (n >), для нее можно практически считать, что ==. Температура плазмы в промышленных плазмотронах достигает значений в десятки тысяч градусов. В отличие от плазмы для управляемого термоядерного синтеза, где требуется температура в сотни миллионов градусов, плазму с температурой называют низкотемпературной.

5.2. Принципы построения оборудования для плазменной технологии

В промышленности наиболее часто встречаются плазмотроны, в которых

газ используется электрический дуговой разряд или безэлектродный высокочастотный индукционный разряд. Если плазмотрон и изделие электрически связаны, то такая схема обработки называется плазменной дугой , а соответствующий плазмотрон называется плазмотроном прямого действия. В этом случае эффективность нагрева изделия, как правило, выше, но изделие должно быть электропроводно.

Принципиальная схема обработки изделия плазмотроном прямого действия представлена на рисунке.

Схема обработки изделия, не находящимся в электрическом контакте с плазмотроном, называется обработкой плазменной струей,

Рис. 5.1. Схема плазмотрона соответственно, плазмотрон называется

прямого действия плазмотроном косвенного действия.

Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться аксиальным потоком газа, как представлено на рисунке. Используется также стабилизация дуги с помощью тангенциального напуска плазмообразующего газа или путем ограничения столба газового разряда охлаждаемой стенкой плазмотрона.

Наибольшая температура плазменной струи реализуется на оси плазменной струи, она значительно выше, чем у открытой дуги. Плотность теплового потока у плазмотронов достигает и также больше, чем у открытой дуги. В плазменных источниках используется большая скорость плазмы при ее выходе из плазмотрона, чем достигается значительный газодинамический напор, что используется для различных технологических целей (например, получения неизотермической плазмы). Используются плазмотроны как с большим расходом газа и турбулентным потоком плазмы, так и с ламинарными плазменными струями, отличающимися большой длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью.

5.3. Плазменная химия

Основные технологические концепции в металлургии, энергетике и химии имеют многовековую историю, а сами технологии доведены до высокой степени совершенства. Для дальнейшей модернизации этих производств требуются нетрадиционные подходы. Основной проблемой для любого производства является увеличение производительности промышленных установок. Так как скорость протекания химических и металлургических процессов экспоненциально зависит от температуры процесса (k ~ , где k – постоянная скорости реакции, - величина энергетического барьера реакции , T- температура системы) в зоне реакции. Поэтому проведение химического процесса в плазме, когда температуры в реакторе достигают нескольких тысяч градусов, позволит существенно повысить скорости химических процессов.

Однако, создание таких высоких температур невозможно при традиционных способах подвода теплоты в зону реакции, так как в настоящее время не существуют материалы способные выдержать такие высокие температуры. В плазменных технологиях естественным решением этой проблемы является использование для нагрева электромагнитной энергии и ее превращение в тепловую непосредственно в зоне протекания реакции. Процесс осуществляется в плазмотронах, использующих дуговой, сверхвысокочастотный или высокочастотный разряды. Для высокой производительности установки требуется создание мощных плазменных генераторов. В настоящее время созданы плазмотроны, превышающие 10 МВт для дуговых и 1 МВт для высокочастотных генераторов. Использование высокотемпературных плазменных установок большой мощности целесообразно для организации технологических процессов газификации угля, серы, восстановления металлов, синтеза оксидов азота, получения энергоносителей и т.д.

Эффективность протекания плазмохимического процесса существенным образом зависит от условий, создаваемых в реакционной зоне. В квазиравновесных (изотермических) условиях реализуется равенство температур T 0 » Te » Ti » Tr » Tv , где T 0 , Tr , Tv , Te , Ti соответственно поступательная, вращательная, колебательная, электронная и ионная температуры. В неравновесных (неизотермических) условиях указанное равенство не реализуется, а для плазменно-химических процессов наиболее интересны условия, когда Te >> T 0 , Ti , Tv , Tr или Te >> Tv >> T 0 » Ti » Tr , т.е. условия, при которых наблюдается значительный отрыв электронной или электронной и колебательной температур молекул от вращательной и поступательной температур газа.

В неравновесных условиях возможно оптимизировать процесс с точки зрения энергетической эффективности, так как в этом случае электромагнитная энергия целенаправленно вкладывается в определенные степени свободы частиц и реакция направляется по нужному каналу. В равновесных условиях энергия вкладывается во все степени свободы частиц (в том числе и те, которые не нужны для получения конечного продукта). Поэтому неравновесные системы более перспективны с экономической точки зрения. Однако в этом случае, так как механизмы протекания химических реакций в неравновесных условиях весьма разнообразны, требуется тщательное изучение всех деталей превращения вещества и энергии, происходящих в плазмохимической системе. К примеру, целый ряд химических процессов (получение оксидов азота, углерода и др.) протекает с наибольшей энергетической эффективностью если вкладывать энергию в колебательные степени свободы частиц, повышая их колебательную температуру.

Приведем некоторые примеры использования плазмохимических технологий в промышленности.

Плазмотрон небольших размеров (длиной 65 см и диаметром 15 см) за сутки производит 75 т ацетилена, не уступая по производительности огромному заводу. При этом энергозатраты на производство единицы продукции в два раза меньше, чем при традиционном процессе в паровом реакторе пиролиза метана.

В настоящее время созданы плазмохимические технологии производства мелкодисперсных порошков – сырья для быстроразвивающейся порошковой металлургии. Разработан плазмохимический метод получения оксидов азота из атмосферного воздуха, который экономичнее традиционного аммиачного способа. Созданы эффективные плазмохимические методы синтеза карбидов и нитридов титана, молибдена, ванадия, ниобия. Отличительной чертой плазмохимических процессов получения многих видов химической продукции является их высокая производительность и экономичность.

5.4. Основные операции плазменной обработки материалов

Плазменный нагрев. Чаще всего используется для плазменно-механической обработки жаропрочных сталей и сплавов на основе молибдена, вольфрама и других материалов, при обработке которых при обычной температуре образуются микротрещины. Производится нагрев обрабатываемой детали с помощью плазмотрона, устанавливаемого непосредственно перед резцом. При нагреве детали ее пластичность увеличивается, а прочность снижается. Это позволяет также увеличить в несколько раз скорость обработки детали и уменьшить износ резцов.

Плавление вещества. Широко используется в промышленности из-за простоты и высокой стабильности процесса. Наиболее распространенной является плавка в водоохлаждаемый кристаллизатор. Таким образом получают сложнолегированные сплавы (например, инструментальные сплавы). Соответствующий подбор плазмообразующего газа позволяет получать небольшое содержание в сплаве оксидов и кислорода, что увеличивает пластичность металла и улучшает его механические свойства. Применение разбрызгивания расплавленного металла и его быстрого охлаждения позволяет получать малоразмерные капли, которые в дальнейшем используются в порошковой металлургии, для наплавки и т.д.

Сварка. Применение плазмотронов для сварки позволяет получить большую глубину проплавления и меньшую ширину шва, чем при использовании обычной свободно горящей дуги. Качество сварного шва получается выше, а технологический процесс идет с большой скоростью. Для тонколистовых материалов (фольга, сильфонно-мембранные узлы) и радиодеталей широко используется микроплазменная сварка при небольших токах (0,1-10)А.

Плазменна я наплавка. Применяется для нанесения на поверхность деталей материалов с особыми свойствами (высокой твердостью, износостойкостью, термостойкостью). Для защиты обрабатываемой поверхности от воздействия атмосферных газов в качестве плазмообразующих газов обычно применяют аргон и водород. Наплавку производят плазмотронами косвенного действия (плазменной струей), позволяющими регулировать глубину проплавления основного металла посредством изменения расстояния между плазмотроном и обрабатываемой деталью. Плазменная наплавка применяется для изготовления режущих инструментов из обычных углеродистых сталей с наплавкой режущих кромок из инструментальных сталей. Так как теплопроводность углеродистых сталей выше, чем у инструментальных, то и отвод тепла с наплавленного резца остается выше, что повышает стойкость инструмента.

Плазменное напыление . При плазменном напылении наносимый материал нагревается внутри плазмотрона, а затем осаждается на подложку, образуя на ней слой () м. Для улучшения сцепления напыляемых частиц с подложкой, проводится ее предварительный подогрев и создаются промежуточные химически активные покрытия. Напыление производится с целью улучшения коррозионной стойкости (для напыления применяется никель, кобальт), жаростойкости (оксиды алюминия и циркония), в качестве защитных покрытий часто применяются вольфрам, молибден, ниобий. Прочные поверхностные покрытия получают, используя ионную технологию покрытий с помощью плазменных ускорителей. В этом случае напыляемый материал ионизуют в электрическом разряде внутри плазмотрона, превращая его в плазму, которая с помощью электромагнитного поля ускоряется до значительных энергий по направлению к обрабатываемой поверхности. Добавляя в ионные потоки металла кислород, ацетилен или азот, получают покрытия сложного химического состава – оксиды, карбиды или нитриды. Такие покрытия используются для увеличения срока службы металлорежущего инструмента и штампов.

Плазменная резка . При плазменной резке происходит локальное расплавление металла в зоне реза и его удаление потоком плазмы. После обработки на поверхности реза остается слой оплавленного металла, толщиной в несколько десятых долей миллиметра. В качестве плазмообразующих газов при резке используют аргон, азот, водород или воздух. Экономически более целесообразно применение воздуха, однако наличие в нем кислорода приводит к разрушению вольфрамового электрода плазмотрона. В воздушных плазмотронах в качестве электродов используются специальные термохимические катоды, содержащие вставку из циркония или гафния. При плазменной резке отсутствует силовой контакт с заготовкой, возможно разрезать заготовки практически из любого материала и получать резы сложной конфигурации. Толщина разрезаемых материалов не превышает 25-30 см. При плазменной резке чаще используют плазмотроны прямого действия (больший коэффициент полезного действия). Режим плазменной струи используется для неэлектропроводных материалов и тонких (1-2мм) заготовок.

Контрольные вопросы

  1. Что такое плазма?
  2. Способы ионизации плазмы.
  3. Какие виды электрических разрядов используются для получения плазмы?
  4. Что такое квазинейтральность плазмы?
  5. Дебаевский радиус экранирования.
  6. Что такое степень ионизации плазмы?
  7. Плазма изотермическая и неизотермическая.
  8. Почему температура электронов в плазме может быть выше, чем температура ионов?
  9. Какая плазма называется низкотемпературной?
  10. Какие виды разрядов чаще всего применяются в промышленных плазмотронах?
  11. Плазмотроны прямого и косвенного действия.
  12. Как скорость химических процессов зависит от температуры?
  13. Каким образом можно существенно повысить производительность химического производства?
  14. Как происходит подвод тепла в зону реакции в плазменных технологиях?
  15. В каких условиях возможно более эффективно осуществить плазмохимический процесс, в равновесных или неравновесных?
  16. Краткая характеристика основных операций плазменной обработки материалов: нагрев, плавление, сварка, наплавка, напыление, резка.

6. Субмикронные технологии микроэлектроники

6.1. Задачи субмикронной и нанотехнологий в микроэлектронике

Важнейшим событием для становления электроники как науки явилось изобретение в 1906 г. вакуумной электронной лампы. Следующим основным этапом в развитии электроники явилось изобретение транзистора в 1947 г. (Бардин, Шоклин и Браттейн). С появлением в конце 50-х годов бестигельной зонной плавки появилась возможность получать кремний особой чистоты, что привело к вытеснению им из микроэлектроники германия и транзисторов на его основе. К главным достижениям микроэлектроники, определившем резкий скачок в развитии ее технологии, относится изготовление в начале шестидесятых годов прошлого века МОП (метал-окисел-полупроводник) – структуры на основе системы c высококачественной границей раздела и появлением планарной технологии. Сущность планарной технологии состоит в последовательном формировании слоев, расположенных друг над другом, с заданным рисунком элементов схемы (конденсаторов, диодов, транзисторов и т.д.). Элементы схемы соединяются друг с другом токопроводящими слоями, образуя интегральную схему (ИС). Свойства каждого нового слоя можно целенаправленно изменять, используя такие технологические операции, как легирование подложки, ее окисление, осаждение на нее различных пленок. Рисунок элементов схемы получают с помощью литографии.

На первых этапах развития полупроводниковой техники широкое распространение получил германий. Однако окисел германия растворим в воде, что весьма затрудняет его применение в планарной технологии. Кроме того, из-за малой ширины запрещенной зоны (0,66 эВ) допускаемые рабочие температуры транзисторов на его основе были сравнительно низкими (не более С). Открытие бестигельной зонной плавки, позволившей получать кремний особой чистоты, привело к его широкому использованию в полупроводниковой технике. Являясь более дешевым, с большей шириной запрещенной зоны (1,1 эВ), позволяющий формировать высококачественные структуры , кремний начал вытеснять другие полупроводниковые материалы и сейчас более 90% изделий электронной техники выполняются на кремнии. Из других полупроводниковых материалов следует отметить арсенид галлия GaAs, перспективный для применения в оптоэлектронных приборах и быстродействующих интегральных схемах. В различных областях науки и техники применяются также и другие полупроводниковые материалы (InSb, SiC, теллурид кадмия-ртути и др.).

Современные тенденции в развитии микроэлектроники характеризуются возрастанием степени интеграции электронных схем, ведущей к уменьшению геометрических размеров элементов интегральных схем и большей плотностью их упаковки. Большие интегральные схемы (БИС) содержат () элементов размерами от 5 до 2 мкм, а ультра большие (УБИС) - более элементов в кристалле, с размером элементов – менее 0,35 мкм. Увеличение плотности упаковки интегральных схем позволяет создать более компактные и многофункциональные схемы. Миниатюризация элементов ИС способствует уменьшению времени переключения транзисторов, что ведет к увеличению быстродействия. Отсюда вытекают главные задачи микроэлектроники . Во-первых, увеличение степени интеграции (превышающей элементов в кристалле) и увеличение плотности упаковки элементов в ИС, что ведет к уменьшению размеров ИС. Во-вторых, увеличение быстродействия ИС (более команд/с). Из этих задач вытекают требования к технологии производства ИС, прежде всего, это требования к точности изготовления элементов на плоскости (точность по горизонтали) и точность совмещения слоев ИС по вертикали (точность по вертикали). Допуски на отклонение при формировании элементов на плоскости не должны превышать 10% их размера. Для удовлетворения этим жестким требованиям точность по вертикали должна достигать единиц и даже долей нанометра, т.е. это уже область нанотехнологии. Таким образом, задачей субмикронной и нанотехнологий является формирование элементов ИС предельно малых размеров 0,2-0,3 мкм с малым разбросом (10%) на кристалле ИС площадью 250-300 . Для выполнения этих требований следует совершенствовать известные и создавать принципиально новые технологии, высокоточные по горизонтали и вертикали. Так как диффузионные процессы при высокой температуре ведут к быстрому изменению размеров элементов ИС (к примеру, диффузное размытие бора, внедренного в подложку при температуре 950 , уже через 5 минут составляет около 4 мкм), то для удовлетворения требованиям точности необходимо разрабатывать низкотемпературные технологии.

6.2. Получение монокристаллов кремния и подготовка подложек

По степени распространенности в природе кремний находится на втором месте, он составляет 25% массы земной коры. После изобретения бестигельной зонной плавки он начал широко применяться в качестве полупроводникового материала. Является одним из самых чистых материалов, при этом сравнительно дешевым (на порядок дешевле германия и на три порядка – арсенида галлия). Основными примесями в полупроводниковом кремнии являются бор и углерод (до %) и легирующие элементы (до %).

Получение полупроводникового поликристаллического кремния производится в три этапа.

1) Получение металлургического кремния. Кварцит (), уголь, кокс и древесные отходы загружаются в дуговую печь, где при высокой температуре проходят химические реакции. Завершающей является реакция получения расплавленного кремния (98% чистоты):

. (6.1)

2) Получение чистого трихлорсилана. При температуре в присутствии катализатора механически измельченный кремний подвергается воздействию хлористого водорода. В результате получается технически чистый трихлорсилан:

. (6.2)

Трихлорсилан при нормальных условиях представляет собой легкокипящую жидкость (). Очищается до высокой степени чистоты многократной фракционной дистилляцией.

3) Получение полупроводникового кремния путем осаждения из прогретой смеси:

. (6.3)

Кремний, получаемый в результате этого процесса, представляет собой поликристаллический стержень диаметром до 200 мм и длиной в несколько метров.

Получение монокристаллического кремния. Основной метод получения монокристаллического кремния – выращивание кристалла по методу Чохральского.

Сущность метода состоит в том, что атомы кремния осаждаются на специальную затравку, которая медленно, с вращением, при помощи специального механизма вытягивается из расплава кремния. После того как кристалл выращен, его подвергают очистке с помощью бестигельной зонной плавки (Пфанн 1952 г.). Высокочастотный нагреватель, двигаясь горизонтально вдоль кристалла кремния, создает зону локального расплавления. В процессе остывания расплава и образования кристаллической решетки чаще всего энергетически более выгодным является размещение в строящейся решетке атома кремния, а не примесного атома. В результате примесные атомы вытесняются из зоны кристаллизации. По мере продвижения нагревателя вдоль кристалла примеси перемещаются к его периферии.

Полученный слиток подвергаются механической обработке, в процессе которой отделяется его затравочная и хвостовая часть, производится обдирка боковой части и шлифовка боковых срезов. Для определения направление бокового среза используется рентгеновский метод. Базовый срез необходим для ориентирования подложек в технологических операциях и ориентирования кристалла ИС относительно кристаллографических осей. Поверхность пластин подвергается механической шлифовке и полировке. На конечной стадии обработки может производиться химическая или химико-механическая полировка, в результате которой поверхность пластины получается без механических нарушений поверхностного слоя и высокого класса чистоты (14 класс чистоты).

Перспективы дальнейшего развития субмикронной технологии ИС требуют использования подложек большего диаметра (более 200 мм), возрастают требования к плоскостности и степени чистоты поверхности подложек, а также уменьшению количества примесей и дефектов.

6.3. Эпитаксия

Эпитаксией называется процесс ориентированного наращивания тонких пленок на подложку. Полученная таким образом пленка сохраняет морфологию и кристаллографию подложки-матрицы. Процесс эпитаксии требует высокой степени точности и относится к основным процессам субмикронной и нанотехнологий. Для осуществления эпитаксиального роста подложка и наращиваемая пленка должны иметь общую кристаллографическую природу, а относительная разница размеров их кристаллических решеток, как правило, не должна превышать 15%. Обязательным условием эпитаксии является чистота и кристаллическое совершенство поверхности подложки-матрицы, а процесс эпитаксии должен осуществляться при минимально возможной температуре. Рассмотрим примеры осуществления основные видов эпитаксиальных процессов.

Конденсация из паровой фазы в вакууме . Является наиболее простым с технической точки зрения и широко применяемым методом газофазной эпитаксии. Установка состоит из двух основных узлов: узла испарения вещества и узла конденсации (узла эпитаксиального роста). В качестве нагревателя испаряемого вещества обычно применяется электронный пучок. Подложка для эпитаксии поддерживается при определенной температуре с помощью независимого нагревателя. Атомы от кристалла-источника после их испарения в вакууме переносятся к кристаллу-подложке, где происходит их конденсация, образование многоатомных зародышей и превращение зародышей в большие островки. Островковый механизм роста ограничивает возможность получения прецизионных пленок, так как сплошность покрытия наступает при достаточно большой разнице по толщине эпитаксиального слоя в разных точках подложки.

Процесс кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия. Широко используется в технологии. В этом случае происходит перенос реагентов к поверхности подложки, их адсорбция на поверхности, где в дальнейшем происходит химическая реакции, десорбция ненужных продуктов реакции и кристаллизация необходимого вещества. Примером может служить процесс получения таким методом слоя кремния путем восстановления тетрахлорида кремния:

. (6.4)

Молекулярно-лучевая эпитаксия. Получение эпитаксиальных слоев, используя конденсацию молекулярных пучков в высоком вакууме. Метод обладает существенными достоинствами: а) Низкая температура эпитаксиального процесса (650-1050 К) и, как следствие, малая диффузия примесей из подложки. Благодаря этому возможно формировать более резкие границы между слоями; б) За счет высокой прецизионности роста возможно получать более тонкие эпитаксиальные слои; в) Использование дополнительного молекулярного пучка из легирующего вещества позволяет осуществлять высокую точность управления уровнем легирования из-за безынерционности процесса. Это позволяет получать сложные профили легирования. Однако, из-за высокой стоимости вакуумного оборудования (в установке требуется поддерживать вакуум Па) в серийном производстве ИС применяется редко. Используется в производстве высокочастотных и оптоэлектронных приборов и для технологических исследований. При высоком вакууме, который поддерживается в процессе эпитаксии, практически нет столкновений испаряемых молекул. Скорость их переноса определяется тепловой энергией, а не медленными диффузионными процессами, и уровнем легирования эпитаксиальных слоев сравнительно легко управлять. Однако при этом виде эпитаксии требуется высокая точность поддержания температуры процесса, так как она определяет скорость осаждения вещества из молекулярного пучка. Для уменьшения числа дефектов в эпитаксиальном слое проводится предэпитаксиальная обработка подложек: высокотемпературный отжиг(1200-1500 К), обработка низкоэнергетическими ионами (20-30 эВ) с последующим отжигом (1050-1150 К) для удаления возникших радиационных дефектов.

Атомарно-слоевая эпитаксия (молекулярное наслаивание). Метод основан на химическом взаимодействии на поверхности, при котором химическое соединение образуется на активных центрах со свободной валентной связью. Толщина образующейся пленки зависит не от времени процесса и не интенсивности потока материала, а определяется количеством повторяющихся реакционных циклов. Как известно, на одном квадратном сантиметре поверхности любого твердого тела содержится примерно свободных валентных связей (поверхностные состояния Тамма), на которые можно хемосорбировать нужную функциональную группу. Далее, химически воздействуя на эту функциональную группу, осуществляют образование на поверхности монослоя необходимого вещества и исходной функциональной группы, завершив таким образом реакционный цикл образования одного монослоя вещества. В качестве примера приведем схему образования оксида кремния на поверхности, которая изначально содержит группу OH со свободными валентными связями.

…..

O OH

Si

O OH

поверхность

подложки

Рис.6.1. Схема образования оксида кремния на поверхности, содержащей группу ОН

со свободными валентными связями

После взаимодействия с , а затем с цикл завершается и на поверхности образуется и функциональные группы OH. Далее циклы можно повторять, после каждого из которых на поверхности добавляется еще один монослой . Рост эпитаксиальной пленки можно прервать на любой стадии, выдерживая ее толщину с точностью до одного монослоя. Обеспечить сплошность пленки можно при сравнительно малой ее толщине (20-50 Å), при этом обеспечивается рост пленки, независимо от рельефа поверхности (конформность роста). Изменяя химические реагенты через определенное число циклов можно формировать разнообразные многослойные структуры с резкими переходами между ними.

Дальнейшее развития эпитаксиальной технологии заключается в совершенствовании существующих и разработке новых процессов эпитаксиального наращивания, основными требования к которым состоят а) в уменьшении температуры процессов; б) в получении пленок с высокой точностью по вертикали; в) в хорошем управлении уровнем легирования.

Помимо эпитаксиальных процессов для целей субмикроэлектроники и нанотехнологии осуществляется значительное число других технологических операций, характеризующихся высокой сложностью и точностью, требующих глубоких знаний в области естественных наук. Это операции получения диэлектрических пленок, металлизация поверхностей, ионная имплантация и др. Общие принципы получения различных пленок и покрытий аналогичны применяемым для эпитаксии, представление об ионной имплантации можно получить, изучив материал темы по ионной технологии.

Контрольные вопросы

1. Какие основные этапы становления электроники?

2. Сущность планарной технологии.

3. Какие материалы применяются в полупроводниковой технике?

4. Какие современные тенденции развития микроэлектроники?

5. Основные требования к технологии производства интегральных схем.

6. Почему в микроэлектронике следует применять низкотемпературные технологии?

7. Какими технологическими достоинствами обладает кремний?

8. Получение полупроводникового поликристаллического кремния.

9. Получение монокристаллического кремния.

10. Какие основные требования предъявляются к кремниевым подложкам?

11. Что такое эпитаксия?

12. Какие требования предъявляются к подложке при эпитаксии?

13. Эпитаксия с использованием конденсации из паровой фазы в вакууме.

14. Процесс кристаллизации из газовой фазы с помощью химического взаимодействия.

15. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

16. Атомарно-слоевая эпитаксия.

17. Основные направления совершенствования эпитаксиальной технологии.

7. Основы литографии

7.1. Литографический цикл

Основная тенденция современной субмикроэлектроники и наноэлектроники состоит в увеличении степени интеграции, т.е. в уменьшении геометрических размеров элементов интегральных схем (транзисторов, емкостей, сопротивлений) и все большей плотностью их упаковки. В настоящее время элементы интегральных схем должны иметь размеры менее 0,35 микрон, а точность их изготовления – единицы и даже доли нанометра. Литография является основной технологической операцией, обеспечивающей формирование элементов интегральной схемы в ее каждом функциональном слое с соответствующей точностью. Причем, формируемый топологический рисунок каждого последующего функционального слоя должен быть точно ориентирован относительно рисунка уже сформированного слоя. Точность их совмещения должна быть меньше 20% минимального размера элемента. Рассмотрим основные операции литографического цикла.

7.1. Нанесение резиста

На рисунке представлена схема основных операций литографии:


Рис. 7.1. Схема основных операций литографии.

экспонирования, проявления и травления – в случае использования негативного резиста. Резист (от англ. resist – сопротивляться) представляет собой полимерную пленку, чувствительную к определенному виду излучения, которая после соответствующей обработки не поддается растворению (травлению) в агрессивных средах, используемых в технологических операциях. Используются негативные и позитивные резисты. Негативный резист в результате воздействия излучения претерпевает такие химические превращения, что после проявления образует нерастворимые участки на поверхности функционального слоя. Рисунок резиста является негативным изображением шаблона. Позитивный резист под действием излучения становится растворимым и после проявления рисунок на поверхности функционального слоя повторяет рисунок шаблона.

Взаимодействие излучения с резистом зависят от его химического строения, а также от спектра излучения и его интенсивности. Резисты должны соответствовать определенным технологическим требованиям: обладать определенной спектральной и энергетической чувствительностью, разрешающей способностью, адгезией к поверхности, термостабильностью и др. В настоящее время разработаны резисты для ультрафиолетовой, электронно-лучевой, рентгеновской и ионной литографий. Дальнейшие исследования, направленны на улучшение технологических свойств резистов. К примеру, увеличение энергетической чувствительности резиста обеспечивает уменьшение длительности экспонирования, а значит и более высокую производительность труда.

При поглощении излучения изменяется физико-химические свойства резиста. Для целей литографии в первую очередь имеет значение изменение растворимости резиста. Механизм взаимодействия светового излучения и излучения высоких энергий (включая энергичные пучки) имеют существенное различие. Световое излучение воздействует только на валентные электроны, в то время как рентгеновское излучение или быстрые пучки могут реагировать с внутренними электронами. Поглощение излучения способствует прямой или сенсибилизирующей активации молекул чувствительного компонента резиста. При прямой активации поглотившие излучение молекулы сами участвуют в химических реакциях, при сенсибилизирующей активации – возбужденные молекулы не участвуют в химических взаимодействиях, а передают свою энергию другим молекулам, не способным активизироваться излучением непосредственно.

В исходном состоянии резисты обычно представляют собой вязкие жидкости. Их нанесение на функциональную поверхность наиболее часто осуществляется методом центрифугирования, при котором потери резиста весьма значительны (более 95%). Поэтому центрифугирование сочетают с предварительным окунанием, что существенно уменьшает потери резиста. Так как резист наносится на рельефную поверхность, то необходимо обеспечить планаризацию поверхности, получаемой после нанесения резиста. Это достигается подбором толщины резиста, которая должна быть больше максимальной ступеньки элементов функционального слоя. Для получения более тонких слоев резиста используются плазменное нанесение и вакуумное осаждение. Эти методы, кроме того, не требуют предэкспозиционной сушки, которая необходима для преобразования жидкой пленки резиста в твердую. Удаления растворителя для затвердевания резиста осуществляется с помощью термообработки. На практике используют, в основном, нагрев за счет теплопроводности (нагревая подложку), конвекции (нагрев теплым воздухом), поглощения резистом инфракрасного излучения.

7.2. Экспонирование

При экспонировании производится проектирование (с помощью излучения) на поверхность резиста рисунка, изготовленного на шаблоне. Шаблон представляет собой плоскопараллельную пластинку с рисунком, состоящим из прозрачных и непрозрачных для определенного вида излучения участков. Требование к экспонированию: высокая разрешающая способность, высокая контрастность, точность воспроизведения всех размеров рисунка. Некоторое размытие изображения при экспонировании связано с такими оптическими явлениями, как дифракция на краях непрозрачного участка шаблона, интерференция в резистной пленке (образовании стоячей волны), малая глубина фокуса используемой оптики.

При изготовлении интегральной схемы, получаемые в каждом ее слое элементы должны находиться в заданных относительно друг друга позициях. Этим определяются жесткие требования на совмещение пластины и шаблона (не более 20% размера минимального элемента). В технологии изготовления интегральных схем используется контактная или проекционная литография (в последнем случае шаблон и пластина находятся на некотором расстоянии). В контактной литографии чаще всего используется глобальное (по всей пластине) механическое совмещение пластины и шаблона по меткам совмещения (кресты, квадраты и т.п.). Совпадения меток добиваются механическим перемещением стола с шаблоном при неподвижном положении пластины (точность совмещения не выше мкм). Для прецизионного совмещения (мкм) используются методы: детектирование света на краю элементов схемы; сравнение сигналов отраженного света; регистрация света, дифрагировавшего на зонной пластинке.

7.3. Проявление изображения в резисте

Проявление представляет собой процесс контролируемого удаления резиста с экспонируемых (позитивный резист) и неэкспонируемых (негативный резист) участков. В основном используется жидкостный (мокрый) способ проявления. Состав проявителя выбирается в зависимости от состава и свойств резиста. Проявители на водной основе являются наиболее дешевыми и безопасными. В настоящее время развивается «сухое» проявление, основанное на различии в летучести соединений в газовой атмосфере (где присутствует фреоны и кислород) или на удалении резиста с помощью плазмы.

7.4. Методы формирования рисунка в функциональных слоях интегральных схем

После того, как топологический рисунок сформирован в резистной пленке, необходимо перенести это изображение без искажений в функциональный слой (металлический, диэлектрический или полупроводниковый) для получения различных элементов: резисторов, конденсаторов, p-n-переходов, межсоединений и т.д. Формирование топологического рисунка в функциональных слоях осуществляется с помощью травления и состоит в избирательном удалении материала в немаскированных резистом участках слоя. В субмикронной технологии жидкостные методы обработки не могут обеспечить достаточной точности получения функциональных элементов, поэтому в основном используются «сухие» методы: ионно-лучевое травление; ионно-плазменное; плазмохимическое.

Ионно-лучевые методы травления основаны на распылении поверхностных слоев материала функционального слоя под действием бомбардировки ионами инертных газов. Если энергия ионов, менее 10-50 эВ распыление материала не происходит. При увеличении энергии ионов до нескольких десятков кэВ коэффициент распыления растет почти линейно, затем, с ростом энергии ионов выше 50 кэВ – уменьшается в связи с имплантацией бомбардирующих ионов в мишень-подложку.

К проблемам, возникающим при ионно-лучевом травлении, относятся, в основном, две. Первая – резистные маски зачастую имеют скорость распыления большую, чем материалы, подвергающиеся травлению. Это требует либо использования достаточно толстых резистов (что ведет к снижению литографического разрешения), либо применения в качестве маски материалов с небольшим коэффициентом распылении (например, тугоплавких металлов), что усложняет проблему формирования маски. Вторая проблема - образование радиационных дефектов (ионизационных и позиционных). Для устранения обратимых дефектов используют отжиг в восстановительной или инертной атмосфере при температуре .

К достоинствам ионно-лучевого травления относятся возможность обработки практически любых твердых материалов и высокая анизотропность, а к недостаткам – низкие селективность и скорость процесса травления. Для изменения скорости травления можно использовать ионы различных химически активных газов: так, ионы кислорода увеличивают скорость травления полимерных материалов (резистов) и уменьшают скорость травления металлов в десятки раз; ионы галогеноуглеродов () повышают скорость и селективность травления в 3-10 раз.

При ионно-плазменном травлении мишень – катод бомбардируется ионами плазмообразующего газа (инертного или химически активного). Этого можно добиться, например, используя обрабатываемую мишень в качестве катода в тлеющем разряде. Метод ионно-плазменного травления обладает достаточно высокой скоростью и анизотропией, но низкой селективностью, которую можно увеличить соответствующим выбором реакционных газов.

Удаление поверхностных слоев при плазмохимическом травлении основано на химическом взаимодействии обрабатываемого материала с химически активными частицами, образующимися в плазме. На первом этапе осуществляется ионизация рабочих газов в электрическом разряде, затем активные частицы диффундируют к поверхности обрабатываемого материала, где адсорбируются и взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью.

Дальнейшие технологические разработки ведутся в направлении увеличения скорости, улучшения анизотропности и селективности процесса травления, а также к улучшению понимания сложных физико-химических закономерностей процессов сухого травления.

7.5. Литография высокого разрешения

Основные тенденции развития субмикроэлектроники требуют получения линий, шириной 0,25-0,5 мкм с допусками на совмещение менее 0,05 мкм. Для этого необходимо развивать новые литографические процессы с высокой разрешающей способностью. Известно, что разрешение литографического процесса тем выше, чем меньше длина волны экспонирующего излучения. Поэтому большой интерес представляет использование в качестве источников излучения рентгеновского излучения, электронных и ионных пучков. Рассмотрим более детально особенности, связанные с применением в литографии этих видов излучения.

Достоинством электронно-лучевой литографиия является высокие разрешение и точность совмещения; возможность бесшаблонного экспонирования за счет высокой степени автоматизации. К недостаткам электронной литографии относится большое время экспонирования, которое значительно увеличивается при формировании элементов с малыми размерами. Это связано с тем, что размер сечения электронного пучка должен быть меньше самого малого элемента схемы. Основная проблема электронной литографии связана эффектом близости резиста и подложки: электроны, обладая достаточной энергией, проходят через резист и проникают в полупроводниковую подложку, содают в ней вторичные электроны, которые рассеиваются и частично воздействуют на прилегающие к подложке слои резиста, уменьшая четкость границы экспонирования. Электронная литография, являясь бесшаблонным методом экспонирования с высокой разрешающей способностью, широко применяется для изготовления шаблонов.

Целым рядом достоинств обладает рентгенолитография : по сравнению с электроннолучевой обладает большей производительностью, меньшими искажениями, связанными с эффектом близости (за счет использования энергетически мягкого излучения); возможностью получения скрытого изображения в очень толстых резистных слоях (до 50 мкм); так как рентген не поглощается находящимися на шаблоне загрязнениями с малой атомной массой, то это уменьшает дефекты и проколы в резисте. Однако большим недостатком рентгенолитографии является необходимость использования довольно сложного в изготовлении рентгеношаблона.

В заключение приведем схему последовательности основных технологических этапов изготовления МОП-транзистора.


И З С


Рис. 7.2. Последовательность основных операций при изготовлении МОП-транзистора

Контрольные вопросы

1. Какие основные задачи литографии?

2. Основные операции литографического цикла.

3. Что такое резист?

4. Позитивные и негативные резисты.

5. Основные требования к резистам.

6. Прямая и сенсибилизирующая активация.

7. Основные методы нанесения резиста.

8. Какими методами осуществляется сушка резиста?

9. Что такое экспонирование рисунка?

10. Требование к экспонированию.

11. Контактная и проекционная литография.

12. Методы совмещения пластины и шаблона.

13. Проявление изображения в резисте.

14. Каким образом происходит формирование рисунка в функциональных слоях интегральных схем?

15. Ионно-лучевые методы травления.

16. Ионно-плазменное травление.

17. Плазмохимическое травление.

18. Как связаны разрешение литографического процесса и длина волны экспонирующего излучения?

19. Электронно-лучевая литография.

20. Рентгенолитография.

8. Введение в нанотехнологию

8.1. Возникновение и развитие нанотехнологии

В настоящее время формируется и получает быстрое развитие новая междисциплинарная область науки и техники – нанотехнология. Она становится ключевым направлением развития промышленности и основой дальнейшего прогресса общества. По оценкам специалистов, нанотехнологии стали важнейшим направлением технологического развития ведущих мировых держав в XXI веке. Стоимость затрат на осуществление нанотехнологических проектов в этих странах составляет несколько миллиардов долларов в год. Развитие нанотехнологий возведено в ранг приоритетных национальных задач, осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию и к их государственной поддержке. Например, В США в 2000 г. принята приоритетная долгосрочная программа – Национальная нанотехнологическая инициатива - призванная обеспечить лидерство США в этой области в первой половине текущего столетия. Бюджетное финансирование этой программы на ближайшие годы исчисляется несколькими миллиардами долларов. Вскоре аналогичные программы появились в Японии и в странах Евросоюза. Эти страны связывают с развитием нанотехнологий серьезные успехи в энергетике, медицине, информатике и в других областях, а также считают, что развитие работ в этом направлении является необходимым для обеспечения безопасности и обороны. В России работы по выработки программы работ в области нанотехнологий интенсивно ведутся с 2003 г., вначале по инициативе широких кругов ученых, инженеров, предпринимателей, которые затем нашли поддержку Российской академии наук, Министерства образования и правительства РФ. Мощный импульс развитию работ по нанотехнологии придала президентская программа «Стратегия по развитию наноиндустрии в России» (2007 г.). В стране создан Совет по развитию наноиндустрии, Государственная корпорация в области наноиндустрии, комиссия по нанотехнологиям РАН, возглавляемая первопроходцем отечественной нанотехнологии академиком Ж.И. Алферовым, созданы другие институты в области нанотехнологий.

Термин «нанотехнология» возник в результате добавления к известному понятию «технология» приставки «нано», означающей уменьшение масштаба в 1 миллиард раз (1 нанометр равен м). Чтобы получить представление о нанометрическом масштабе величин приведем несколько примеров: минимальный размер элементов больших интегральных схем в настоящее время составляет около 100 нм, размеры вирусов и углеродных нанотрубок 10 нм, белковая молекула 1 нм, диаметр атома водорода 0,1 нм. Нанотехнология может быть определена, как совокупность технологических процессов, связанных с созданием и использованием материалов, устройств и структур нанометрического масштаба, т.е. имеющих размеры порядка 1-100 нм хотя бы вдоль одной координаты. Нанотехнология имеет дело с мельчайшими объектами в диапазоне размеров атомов, молекул, совокупности молекул; она подразумевает умение работать с такими объектами и целенаправленно и контролируемым образом создавать из них более крупные структуры. Созданные с помощью нанотехнологии объекты являются мельчайшими устройствами, созданные искусственным путем с использованием атомно-молекулярных элементов. Такие структуры могут обладать совершенно уникальными физическими, химическими и биологическими свойствами. В настоящее время возникли такие понятия как нанонаука (исследование свойств наноматериалов и явлений в нанометрическом масштабе), нанотехнология (создание наноструктур) и наноинженерия (поиск эффективных методов применения наноструктур).

Нанотехнология сформировалась на основе современных тенденций развития субмикроэлектроники: увеличения степени интеграции элементов интегральных схем при одновременном уменьшении размеров элементов. Эти тенденции связаны с необходимостью увеличить быстродействие электронных схем, расширить их функциональные возможности с одновременным уменьшением размеров создаваемых устройств. Однако изготовление элементов интегральных схем размерами менее 1 микрона связано с трудностями принципиального характера, определяемыми законами физики. Дальнейший прогресс в этом направлении требует разработки новых подходов и принципов, которые и легли в основу нанотехнологии. При обработке материалов с целью получения планируемых изделий существуют два принципиальных подхода, которые условно принято называть «сверху-вниз» и «снизу-вверх».

При подходе «сверху-вниз» размеры обрабатываемого материала уменьшаются с помощью соответствующей обработки и могут быть доведены до нанометрического масштаба. Примерами такой обработки являются технологические процессы, используемые в литографии для изготовления деталей интегральных схем. Принципиальные проблемы здесь связаны с длиной волны излучения, используемого в этих технологиях. В настоящее время минимальные размеры элементов интегральных схем, которые можно получить при использовании коротковолнового излучения, достигают 100 нм. При этом процесс получения таких изделий достаточно сложный и дорогостоящий.

При подходе «снизу-вверх» создание планируемого изделия осуществляется путем его сборки из элементов «низшего порядка»: атомов, молекул, фрагментов биологических клеток и т.п. Методы и приемы нанотехнологии позволяют осуществлять такие операции. Например, сейчас возможно изготовление различных устройств, осуществляемых поштучной укладкой атомов на поверхности кристалла при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Яркой демонстрацией возможностей нанотехнологии явилось изготовление сотрудниками Армаденской лаборатории ИБМ надписи - названия своей фирмы (IBM), которую они сумели выложить на поверхности монокристалла никеля из 35 атомов ксенона (1990 г). Конечно, метод сборки, основанный на подходе «снизу-вверх» когда осуществляются манипуляции на уровне атомов, в настоящее время является сложной технологической операцией, она характеризуется низкой производительностью и эффективностью, но исследователи тем не менее считают, что будущее современных технологий принадлежит именно таким методам.

8.2. Получение информации о микро и наномире

Целенаправленное и контролируемое изготовление различных устройств невозможно без постоянного получения информации о состоянии обрабатываемого объекта. Основным органом восприятия окружающего мира для человека являются глаза. Они представляют собой сравнительно простое оптическое устройство, где отраженные от рассматриваемого объекта световые лучи фокусируются с помощью хрусталика, являющегося жидкокристаллической линзой, на сетчатке глаза и затем анализируются мозгом. Минимальный размер, который может разглядеть человек, около 0,1 мм. Для рассмотрения более мелких объектов еще в средние века начали использоваться оптические линзы (очки, лупы), а в дальнейшем – конструкции из нескольких линз, которые назвали оптическими микроскопами. Оптические приборы позволяют различать мелкие детали рассматриваемого объекта. Разрешающая способность (разрешающая сила) характеризует способность оптического прибора давать раздельное изображение двух близких точек объекта. Наименьшее расстояние между точками, начиная с которого их изображения сливаются и перестают быть различными, называется пределом разрешения. Чем меньше длина волны света, используемого для освещения, тем выше разрешение оптического прибора. Для света (оптического диапазона электромагнитных волн) предел разрешения микроскопов составляет примерно 200 нм. Для дальнейшего увеличения разрешающей способности были созданы приборы, в которых используются волновые излучения с меньшей длиной волны, т.е. не световой природы.

С точки зрения квантовой механики электрон имеет двойственную природу: корпускулярную и волновую. Волновые свойства электронов используются в электронных микроскопах. В таких устройствах вместо света используется пучок электронов, а стеклянные линзы заменены электрическими или магнитными линзами. Уравнения, описывающие движение электронов в таких системах, аналогичны соответствующим математическим выражениям для световых волн в оптических микроскопах. Но так как электроны представляют собой излучение со значительно более короткой длиной волны (; где λ – длина волны электрона , P – его импульс, h – постоянная Планка), то разрешающая способность электронного микроскопа увеличивается на несколько порядков. Для предотвращения рассеяния электронов на молекулах воздуха внутри электронного микроскопа следует обеспечить высокий вакуум, что значительно осложняет работу с электронным микроскопом.

Просвечивающий электронный микроскоп . Впервые создан в 1932 г. немецкими учеными М. Кноллом и Е. Руска. Источник электронов – раскаленная вольфрамовая проволока, испускающая электроны вследствие термоэлектронной эмиссии (в некоторых электронных микроскопах используется автоэлектронная эмиссия из кремниевого кристалла). Для управления движением электронов используются электрические или магнитные линзы. Пучок электронов движется через линзу-конденсор, регулирующую интенсивность потока электронов и облучаемую площадь образца, после прохождения которого проектируется с помощью линзы – объектива на люминесцентный экран, изображение с которого фотографируется. Таким образом, пучок электронов, проходя через исследуемый образец, позволяет получать на фотоснимках прямое изображение дефектов или неоднородностей структуры образца. С помощью просвечивающих электронных микроскопов можно получать дифракционные картины, анализ и обработка которых позволяет получить данные об ориентации кристаллов и периодичности атомных структур. Образец для исследования представляет собой сверхтонкую пластинку, изготовление которой производится по сложным методикам с использованием специальных способов (ионное фрезерование и т.п.). С помощью современных просвечивающих микроскопов достигается разрешающая способность около 0,2 нм, что позволяет получать изображение отдельных атомов и молекул.

Сканирующий электронный микроскоп . Пучок электронов с энергией в несколько десятков КэВ, создаваемый электронной пушкой, проходит последовательно управляющую линзу-конденсор, отклоняющую катушку, линзу объектив и сканирует изучаемую поверхность. В зависимости от поставленной задачи регистрируется рентгеновское излучение (анализ химического состава вещества поверхности), вторичные электроны (в этом случае достигается самое высокое разрешение), отраженные электроны. Полученные сигналы усиливаются, преобразуются по интенсивности и т.д., после чего подаются на экран электронно-лучевой трубки, где создают видимое изображение поверхности. Работа микроскопа требует поддержания высокого вакуума во всей установке. Разрешающая способность сканирующих микроскопов достигает в настоящее время 0,5 нм.

Сканирующий туннельный (зондовый) микроскоп. В настоящее время созданы несколько видов сканирующих зондовых микроскопов, среди которых особо следует отметить сканирующий туннельный микроскоп, атомарно-силовой микроскоп, сканирующий оптический микроскоп ближнего поля и др. Основной деталью сканирующего туннельного микроскопа является тонкий металлический зонд – игла, двигающийся вдоль исследуемой поверхности на очень малом от нее расстоянии. Между поверхностью и зондом приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток. Его величина и позволяет судить о структуре поверхности.

Туннельный ток представляет собой явление квантовомеханической природы. Это ток, представляющий собой движение электронов, преодолевающих потенциальный барьер вследствие «туннельного эффекта». (Туннельный эффект - это преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, если ее полная энергия меньше высоты этого барьера). Высота расположения зонда над поверхностью задается определенным значением туннельного тока (при малых расстояниях возникает большой электрический ток обычного типа, а при больших – туннельный ток резко падает). В процессе работы сканирующий зонд прорисовывает исследуемую поверхность. Разрешающая способность микроскопа позволяет создать изображение профиля поверхности с точностью до размеров одного атома или молекулы, т.е. с точностью до нескольких десятых нанометра. Анализ изменения величины туннельного тока позволяет сделать вывод об изменении ориентации атома на поверхности. Так как принцип действия туннельного микроскопа основан на измерении электрического тока, то его можно использовать только для исследования электропроводящих материалов.

Атомно–силовой микроскоп. Принцип работы этого зондового микроскопа позволяет исследовать поверхность и материалов-изоляторов. Зонд прикреплен к концу плоской пружины (кантиллевера) и его положение определяется величиной межатомных сил отталкивания, возникающих между острием зонда и поверхностью (радиус действия этих сил порядка размера атома). Зонд сканирует поверхность, а его положение тщательно регистрируется с помощью оптического лазера, луч которого отражается от поверхности плоской пружины-кантиллевера. Полученная информация затем переводится в изображение. Величина измеряемых межатомных сил соответствует наноньютонам. Точность изображения поверхности превышает точность сканирующих туннельных микроскопов и достигает долей нанометра. В последнее время зондовые микроскопы начали использоваться также для сверхточной обработки поверхностей, для целенаправленной манипуляции отдельными атомами и молекулами, для измерения магнитных, электрических, адсорбционных и др. характеристик поверхности.

8.3. Перспективы развития нанотехнологии

В последние годы в связи с развитием и усовершенствованием методов получения и изучения наноструктурных материалов отмечается быстрое развитие нанонауки и нанотехнологии. Инструментальная революция последних лет позволяет изучать наносостояние «с открытыми глазами», что позволило изучить многие свойства наноструктур и позволила сделать следующий шаг – переход к нанотехнологиям. Основными средствами экспериментального изучения структурных, электронных и других особенностей наноматериалов является сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия, дополненные другими современными методами исследований: рентгеновской микроскопией, электронной микроскопией высокого разрешения, оже-спектроскопией, фемтосекундной спектроскопией, использующей субпикосекундные рентгеновские импульсы и др. С помощью сканирующих зондовых устройств исследователи не только могут получить изображение отдельных атомов и молекул, но и перемещать их, размещая в определенном порядке. Пока что это весьма сложная и трудноосуществимая операция, однако, в перспективе уже можно представить создание с помощью этой технологии новых материалов и наноустройств, собираемых нанороботами атом за атомом. Представление об использовании достижений нанотехнологии и перспективах ее развития можно получить из более детального рассмотрения некоторых важных направлений исследований.

Наночастицы. Частицы нанометрического размера (диаметром менее 100 нм) использовались еще в глубокой древности, хотя и без научного обоснования. Например, прославленная окраска древнеримских стеклянных ваз объясняется присутствием в стекле нанокластеров (небольших групп атомов) золота. Примером использования наночастиц в настоящее время является применение угольной сажи при изготовлении автомобильных покрышек для повышения их прочности и износоустойчивости. Интерес к наночастицам связан с тем, что при уменьшении размеров частиц вещества существенным образом изменяются физико-химические свойства (механические, магнитные, оптические и др.) практически всех материалов. Методы получения наночастиц можно условно разбить на восходящее (снизу-вверх) и нисходящее производство (сверху-вниз). К первому методу относятся технологии, в которых наночастицы получаются соединением из отдельных атомов: высокотемпературная конденсация из газовой фазы, жидкофазная конденсация. Во втором методе мелкие частицы производятся за счет дробления и измельчения более крупных. Основные технологические проблемы при любом методе производства нанопорошков заключаются в необходимости получения одинаковых по размеру частиц и предотвращению слипания (агломерации) частиц. К настоящему времени уже широко налажено производство основных типов нанопорошков (оксиды алюминия, кремния, титана) на основе пиролиза. В технологии пиролиза вещество нагревается, например инфракрасным лазером, происходит его разделение на составляющие. Необходимый нанопорошок получается при последующем охлаждении потока. Например, при пиролизе получаются наночастицы , при пиролизе - . Широко используется изготовление нанопорошков методами плазмохимии, обеспечивающих высокую производительность и существенное снижение агломерации продукции. Применение плазмохимического синтеза позволяет получать нанодисперсные оксиды особой чистоты. Исходные реагенты могут поступать в реактор в виде порошка или в жидком виде. При температуре плазмы порядка происходит разложение реагентов на отдельные атомы и радикалы. Наночастицы формируются при охлаждении потока на выходе из плазмы.

Наночастицы находят широкое применение в современных технологиях. Приведем несколько примеров их использования.

Наночастицы двуокиси титана, внедренные в вещество солнечных батарей, благодаря своей очень большой суммарной поверхности поглощают свет в тысячи раз сильнее обычных кристаллов того же состава, что существенным образом увеличивает К.П.Д. солнечных батарей.

В микроэлектронике весьма сложной операцией является получение пленок с почти атомарной точностью (химико-механическая планаризация). Предложен метод, при котором на поверхность кристалла наносится суспензия наночастиц, которые затем используются в комбинированном процессе химического удаления и механического трения, в результате поверхность полируется с атомарной точностью.

С уменьшением размеров частиц существенно меняются их каталитические свойства. Осажденные на поверхность золота нанокластеры диоксида церия в очень низких концентрациях (около 0,5 атомных процентов) становятся исключительно активными катализаторами реакции превращения моноксида углерода и воды в двуокись углерода и водород (основная реакция в топливных элементах на углеводородном топливе). Применение наночастиц в этом процессе исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в этом случае используется очень небольшое количество золота, а в используемых ранее катализаторах его содержание составляло 10 ат.%.

Наночастицы находят все более широкое применение в быту. Еще несколько лет назад крем от загара представлял собой непрозрачную молочно-белую мазь, цвет которой определялся наличием в ней микронных частиц окиси цинка, поглощающих ультрафиолетовые лучи. Использование нанометрических частиц той же окиси цинка в этих кремах превратило его в прозрачный, более удобный и привлекательный для потребителей продукт.

В последнее время общественность стала проявлять интерес не только к положительным моментам применения наночастиц и нанотехнологий, но и к потенциальному риску, связанным с их широким использованием. Некоторые исследователи обратили внимание на корреляцию между промышленным использованием наночастиц, уровнем загрязнения атмосферы и состоянием здоровья населения. Проблема состоит в том, что вещества, безопасные в привычной форме изготовления, становятся токсичными при их измельчении до наноразмеров, и существующие нормы безопасности в случае использования наночастиц могут оказаться недостоверными.

Фуллерены и углеродные нанотрубки . Фуллерены представляют собой шароподобные каркасные структуры, состоящие из более чем 40 атомов углерода. Наиболее устойчивая структура фуллерена состоит из 60 атомов, расположенных в виде шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода (такая шаровая структура походит на футбольный мяч). Была открыта в 1985 г. Крото с сотрудниками. Углеродные нанотрубки открыты в 1991 г. Сумио Иидзима. Представляют собой однослойные или многослойные цилиндры, стенки которых созданы в виде сетки из шестиугольников и заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольников. В вершинах этих многоугольников расположены атомы углерода. Многослойные цилиндры вложены друг в друга в виде матрешки. Внутренний диаметр углеродистых нанотрубок может изменяться от 0,4 до нескольких нанометров. Для получения углеродных нанотрубок используется дуговой разряд, лазерная абляция (испарение) и осаждение из газовой фазы. Во всех этих методах при высоких температурах создаются свободные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Углеродные нанотрубки обладают необычными физическими свойствами. Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок в 50-100 раз превышает соответствующий показатель для стали, одновременно они обладают очень высокой способностью к восстановлению формы после упругой деформации. Таким образом, эта молекулярная структура значительно превосходит сталь по прочности на разрыв, в то же время она гибкая, как резина. Электропроводность однослойных углеродных нанотрубок в сто раз, а теплопроводность в десятки раз выше, чем меди. Углеродные нанотрубки могут иметь разную геометрическую структуру: сетка из шестиугольников может располагаться параллельно оси трубки (ахиральная структура) или же может быть закрученной относительно оси, как если бы трубка подверглась деформации кручения (хиральная структура). Как оказалось, ахиральные углеродные нанотрубки обладают свойствами металла, а хиральные – полупроводника. Углеродные нанотрубки представляют легкий (плотность вдвое меньше, чем алюминия) и термостойкий материал (температура плавления в вакууме достигает 2700).

Перечисленные уникальные свойства углеродных нанотрубок предполагают огромное количество практических приложений для самых разных целей в полупроводниковой технике, естествознании, технологии, для изготовления инструментов и т.д. Рассмотрим некоторые возможные сферы приложения углеродных нанотрубок.

Нанотрубки можно использовать в качестве наноразмерных армирующих волокон в бетоне или полимерах, где их высокие прочностные характеристики улучшать прочность всего материала. Использование в качестве наполнителей токопроводящих углеродных нанотрубок в конструкционных материалах (бетон, пластмассы) позволит создать непрерывно действующую телеметрическую систему контроля качества и целостности конструкции. Высокие прочностные характеристики и их легкость позволяют использовать нанотрубки для изготовления материалов для пуленепробиваемых жилетов, бамперов автомобилей, для строительства сейсмоустойчивых зданий и сооружений, для сверхпрочных покрытий обрабатывающих инструментов.

Так как углеродные нанотрубки обладают высокой химической стойкостью и развитой поверхностью, возможно их применение в качестве подложки для катализаторов.

Углеродные нанотрубки перспективны для создания нового поколения интегральных схем, их применение позволит существенно увеличить емкость аккумуляторов, рассматривается возможность их использования для аккумулирования водорода, создания сверхемких конденсаторов, в качестве материалов для изготовления зондов различных микроскопов и многих других целей.

Фуллерены перспективны для использования в самых разнообразных отраслях промышленности. Исследователи научились к поверхности присоединять отдельные атомы металла и регулировать с высокой точностью число атомов в металлическом покрытии. Полученные таким образом материалы могут в дальнейшем обеспечить прорыв в каталитической промышленности.

Тонкие пленки . В настоящее время проводятся широкомасштабные исследования молекулярно-ситовых мембран на основе микропористых тонких пленок. Например, изучение платиновых пленок толщиной 300 нм показало наличие областей с упорядоченными цилиндрическими отверстиями диаметром 2,5 нм, причем диаметр отверстий можно целенаправленно изменять, варьируя условия синтеза. Подобные устройства могут иметь важное практическое применение в устройствах для преобразования энергии, в батареях, топливных элементах, для целей катализа. Огромное практическое значение имеют исследования по получению тонкопленочных покрытий с коррозионной, термической и химической стойкостью (защита трубопроводов, реакторов и другого оборудования).

Разнообразное использование для самых различных целей представляют такие наноматериалы как нанопроволоки, нанодисперсии, нанокристаллические материалы, нанопористые твердые вещества и т.п.

Контрольные вопросы

  1. Какие технологические процессы относятся к области нанотехнологии?
  2. Какие технологические приемы принято называть восходящими («снизу-вверх») и низходящими («сверху-вниз»)?
  3. Что такое разрешающая способность оптического прибора?
  4. Чему равен предел разрешения оптического микроскопа?
  5. Каким образом можно увеличить разрешающую способность приборов?
  6. Что такое туннельный эффект?
  7. Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.
  8. Сканирующий электронный микроскоп.
  9. Сканирующий туннельный зондовый микроскоп.
  10. Атомно-силовой микроскоп.
  11. Методы получения наночастиц.
  12. Применение наночастиц в современных технологиях.
  13. Что из себя представляют фуллерены?
  14. Свойства углеродных нанотрубок.
  15. Применение нанотрубок.
  16. Тонкие пленки и перспективы их использования.

9. Нанотехнологии в медицине, фармацевтике и биотехнологии

9.1. Наночастицы – новая форма лекарств и средство их адресной доставки

Использование известных медицинских препаратов при условии разработки высоких технологий их приготовления, в результате которых действующее вещество используется в виде наночастиц, ведет к повышению эффективности лекарственных средств, улучшению их биодоступности, ослаблению побочных эффектов и повышению химической стойкости самих лекарств. Эффективность использования наночастиц в качестве лекарственных средств связано с тем, что любой живой организм имеет целый ряд защитных механизмов, направленных на разрушение или удаление из организма всех чужеродных веществ, поступающих извне. Например, большинство вводимых в организм небольших молекул очень быстро удаляется из крови почками. Поэтому наиболее эффективны с медицинской точки зрения частицы размерами 5-200 нм, так как частицы крупнее 5 нм не захватываются почками, а частицы с размерами менее 200 нм не подвергаются действию макрофагов, которые реагируют на более крупные частицы. Кроме того, химическая активность вещества и его свойства существенным образом зависят от размера частиц и величины активной поверхности вещества, которая тем больше, чем оно сильнее измельчается. Таким образом, использование лекарственных веществ с наноразмерами частиц открывает новую жизнь для старых лекарств. Лекарства на основе наночастиц удобнее всего принимать, как и обычные таблетки, перорально (т.е. проглатывать). В этом случае большая часть микрочастиц проникает в организм, всасываясь через стенки кишечника. Так как проникающая способность через стенку обычно обратно пропорциональна размеру частиц, то наночастицы являются чрезвычайно эффективными носителями любых веществ и препаратов.

Рассмотрим более детально существующие типы наноносителей и наноустройств, используемых для доставки лекарственных препаратов.

Полимерные коньюгаты (препараты, химически связанные с полимерной основой или просто молекулярные соединения на полимерной подложке) имеют размеры 5-20 нм. В качестве полимерной основы применяются легко растворимые в воде вещества (полиэтилен-гликоль, декстрин), способные присоединять к себе небольшие плохо растворимые в воде молекулы и придавать им способность растворяться в воде. Таким образом, препараты, представляющие лечебную ценность, но применение которых сильно ограничивалось тем обстоятельством, что они не растворяются в воде или других подходящих средах, смогли использоваться в медицине. (Пример. Известный в хемотерапии препарат камптохецин, практически нерастворим в воде. Присоединение его молекулы к полимерному носителю на основе циклодекстрина позволило повысить растворимость этого препарата на три порядка.) Кроме того, полимерные коньюгаты слабо захватываются очистительными механизмами почек, что и позволяет им длительное время циркулировать в крови внутри организма. Соответственно уменьшается частота приема препарата и его дозы. (Пример. Эффективный при остром лимфобластном лейкозе препарат L-аспарагиназа необходимо применять 2-3 раза в неделю, так как эта молекула легко удалялась из крови почками. Этот препарат на носителе из полиэтиленгликоля достаточно применять 1 раз в 2 недели.)

В последнее время внимание специалистов привлекают так называемые дендримеры, особый вид полимеров, имеющих не привычное линейное, а ветвящееся строение. Размеры «ветвей» достаточно легко контролируются (например, подавлением роста молекулярных цепей на очередном этапе ветвления структуры), в макромолекулах имеются хорошо воспроизводимые по форме каналы и поры, способные к высокоизбирательной инкапсуляции и иммобилизации низкомолекулярных веществ. Все это позволят их использовать в качестве носителей лекарственных препаратов.

Наносферы и нанокапсулы . Представляют собой миниатюрные частицы с нанопорами (наносферы) или нанорезервуары, окруженные полимерными мембранами (нанокапсулы). Размеры частиц от 50 до нескольких сотен нанометров. Лекарственный препарат помещается в нанопоры или внутрь нанокапсул. Использование пор с размерами менее 6 нм позволяет защитить их содержимое от воздействия иммунной системы организма. Нанокапсулы используются для предотвращения разрушения переносимого частицей препарата ферментами или химическим воздействием организма. В качестве материала наносфер и нанокапсул используется биоразрушаемый полимер, скорость разрушения которого в организме определяет скорость выделения лекарства. (Пример. С помощью полимерных наночастиц удалось перорально вводить в организм инсулин, избегая таким образом его отторжения организмом.)

В качестве наносфер могут использоваться фуллерены с упорядоченно расположенными на их поверхности химическими группами, способными связываться с заранее выбранными биологическими мишенями. Наносферы могут использоваться для борьбы с вирусными заболеваниями типа гриппа и ВИЧ, онкологическими заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов и др. (Пример. Наносфера содержит на поверхности химические группы, позволяющие ей прикрепиться к раковой клетке, а внутри – атом радиоактивного элемента.) Наносферы могут использоваться и в диагностике: заполненные рентгеноконтрастным веществом, прикрепляясь к определенным клеткам, могут показывать их расположение в организме.

К нанокапсулам можно отнести липосомы - наноразмерные частицы (от 25 до нескольких сот нанометров) из фосфолипидов и холестеролов (так называемые «жировые пузырьки»). Обычно они содержат двухслойные структуры, в которые легко могут быть инкапсулированы лекарственные препараты. Таким образом, липосомы можно использовать для направленной доставки лекарств. Достоинством природных фосфолипидов является то, что они нетоксичны, биодеградируемы, не вызывают аллергических реакций, имеют высокое сродство к мембранам клеток, благодаря чему легко проникают внутрь клетки.

Во многих случаях, особенно для генной терапии, важна адресная доставка лекарства в нужный тип клетки. В этом случае липосомы рассматриваются как наиболее перспективные носители. Модель такой «идеальной» липосомы для адресной доставки лекарственного вещества должна содержать во внутреннем объеме лекарственные вещества (в случае генной терапии это ДНК). На ее поверхности иммобилизованы гибкие цепи полимера – защиты от воздействия иммунной системы организма, в ее мембрану должны быть встроены молекулы вещества, предназначенного для присоединения к нужным клетках–мишеням (так называемый, молекулярный адрес). В мембрану также должны быть инкорпорированы белки слияния с мембраной клетки-мишени. Основной недостаток липосом - это относительно небольшая стабильность их при хранении по сравнению с полимерными наночастицами. Однако последние состоят из менее безопасного материала.

9.2. Биосенсорная нанодиагностика

Биочипы . Применении нанотехнологий для целей диагностики позволяет во много раз повысить скорость обнаружения и анализа сверхмалых количеств различных веществ. Для этих целей используются так называемые биологические чипы – искусственные устройства, обычно изготавливаемые из кремния, содержащие большое количество крошечных резервуаров, в которых упорядочено размещены рецепторы к нужным веществам, например антитела. Молекулы вещества, захваченные рецептором, выявляются по возникающей флюоресценции или по изменению электрических свойств ячейки. На одном чипе может быть расположена целая лаборатория для анализа многих тысяч веществ. Использование биочипов дает возможность в тысячи раз увеличить производительность большинства диагностических методов. (Пример. В институте молекулярной биологии РАН разработана система для экспресс-выявления штамма возбудителя; на одном чипе размещаются около сотни флуоресцентных датчиков.)

Свечения отдельных ячеек микрочипа, регистрируется специальной аппаратурой. Результаты анализа готовы через несколько часов после забора образцов. Использование биочипов эффективно для проведения быстрого и точного обнаружения возбудителей туберкулеза, натуральной оспы, гепатита, ВИЧ и др. Широкое применение биочипы получили для анализа ДНК структур. Принцип действия биочипа в этом случае основан на способности комплементарных оснований ДНК образовывать химические связи. В ходе анализа происходит взаимодействие комплементарных цепей ДНК: одна из них (ДНК-проба) зафиксирована на подложке, а другая одноцепочечная ДНК-мишень, меченная флуоресцентной меткой, вносится в ДНК- чип.

Биочипы могут использоваться также и для контролируемого введения лекарств во внутренние органы. Для адресной доставки лекарств в конкретный орган часто используются имплантируемые устройства доставки лекарственных препаратов на полимерной основе. Однако они не гарантируют абсолютной точности дозируемого ввода препаратов, в них могут происходит сбои или разрушение структур, в результате чего происходит «взрывное» выделение препарата. Кроме того, после имплантации в организм такого устройства врачи уже не могут изменить исходную схему лечения. Этих недостатков лишены биологические чипы. Для этих целей их крошечные резервуары с лекарством покрываются тонкой золотой пленкой и соединяются тончайшими проводами с управляющим устройством на поверхности чипа. При подаче электрического сигнала проволочка расплавляется вместе с фольгой, в результате чего заданное количество препарата выделяется в окружающие ткани организма. Вследствие исключительно малых размеров биочипов они могут легко имплантироваться практически в любой орган: кожу, нервные волокна, головной мозг. Электронное управление чипом осуществляется извне с помощью радиосигналов.

Нанопровода. На основе нанопроводов изготавливаются наносенсоры, которые могут оказаться в 1000 раз чувствительнее стандартных методик анализа. Американскими учеными разработан сенсор на основе нанопроводов, позволяющих детектировать даже единичный вирус. Вирус связывается со специфическим антителом, нанесенным на поверхность нанопровода, в результате чего происходит значительное изменение его электрической проводимости. Специалистами создан также наносенсор, способный выявлять и различать несколько видов вирусов на основе использования нескольких антител, специфических для каждого из них. Были разработаны наносенсоры, способные различать определенную последовательность ДНК. Такие устройства способны детектировать гены, несущие специфическую мутацию. Весьма перспективными являются наносенсоры, созданные для детектирования онкологических заболеваний. В этом случае они должны детектировать комплексы белков, характерных для определенного вида опухолей.

Наночастицы для диагностики состояния головного мозга . Предложена технология мониторинга клеток головного мозга, позволяющая наблюдать за объектом долгое время. Она основана на использовании наночастиц золота, внедренных в клетки мозга, в качестве флуоресцентных меток. Наночастицы выделяют тепло при облучении их лазером. Фотодиод совместно со вторым лазером используется для слежения за наночастицами при их перемещении. Анализ движения макромолекул мозга поможет в исследовании механизмов работы памяти. Методика имеет преимущества перед использующейся ныне флуоресцентной микроскопией, которая позволяет наблюдать за объектом лишь непродолжительное время.

9.3. Наноинструменты и нанороботы в медицине

Переход к целенаправленной и контролируемой работе с нанообъектами предполагает создание соответствующих наноинструментов и наноманипуляторов. К настоящему времени уже разработаны нанопинцеты для захвата и перемещения наночастиц и групп атомов, наноманипуляторы из углеродных трубок, наноиглы. С помощью сканирующих зондовых микроскопов можно перемещать различные нанообъекты вплоть до атомов. Создано несколько вариантов нано-пинцета. В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные на сторонах стеклянного волокна диаметром около 1 мкм. При подаче разности потенциалов на нанотрубки они расходились или сходились наподобие пинцета. Японские исследователи создали нанопинцет длиной в 3 нм, состоящий из органических компонент, которые под действием света или сокращаются или расширяются. С помощью такого нанопинцета можно захватить и удержать отдельную молекулу.

Исследователи из Новосибирска создали новую технологию получения различных микро- и наноинструментов с использованием электронно-лучевой литографии для закручивания пленок. Создателям технологии удалось получить модели микроигл диаметром от 5 мкм до 50 нм для внутриклеточных инъекций, особенно удобных для использовании в биологии: их стенки очень тонкие, высокая прочность позволяет многократно прокалывать толстые клетки растений. Технология получения микро- и наноинструментов совместима с хорошо развитой технологией производства интегральных схем, что позволяет совместить микромеханические и электронные компоненты в одном чипе.

В медицине в настоящее время широкое распространение получили миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических или лечебных целей. Например, устройство для исследования желудочно-кишечного тракта миллиметровых размеров оснащено миниатюрной видеокамерой и системой освещения, передает наружу полученные изображения. Использование достижений нанотехнологии открывает широкие перспективы для миниатюризации таких устройств, интеграции с наносенсорами, оснащения системы связи и управления молекулярной электроникой, использования источников энергии, работающих на веществах, содержащихся внутри организма. Такие нанороботы могут, в принципе, иметь размеры в десятки нанометров, обладать способностью самовоспроизводиться; самостоятельно манипулируя атомами, смогут из подручного материала создать любое устройство. Особенно полезны окажутся нанороботы в медицине. К примеру, перемещаясь внутри кровеносных сосудов наноробот будет очищать организм от микробов, раковых клеток, отложений холестерина или использоваться для других медицинских целей.

Основой для создания нанороботов могут стать существующие микроорганизмы. В этом случае исходный организм обеспечит готовые системы энергоснабжения, передвижения, размножения и т.д. К настоящему времени уже накоплен опыт использования микроорганизмов для различных целей, например, вирусы активно используются для внесения в клетки нового генетического материала. В перспективе можно представить себе использование роботов вирусов для уничтожения клеток – возбудителей заболевания, или для введения в них необходимых молекул ДНК, РНК или осуществления других генетических модификаций. В качестве основы для создания биороботов можно использовать живые клетки организма. В организме человека клетки могут перемещаться на значительные расстояния, уничтожать другие клетки, заменять погибшие клетки и т.д. Модифицировав клетки соответствующим образом, можно их приспособить для уничтожения возбудителей инфекций, разрушения атеросклеротических отложений на стенках сосудов, регенерации поврежденных тканей и т.д.

Для управлением нанороботами могут быть использованы устройства наноэлектроники с использованием нанотрубок или транзисторов на основе отдельных молекул. В качестве источника энергии наноустройства могут использовать энергию веществ, растворенных в крови (глюкоза, кислород) или же энергию внешнего источника в виде электромагнитного или акустического излучения. Для передачи информации наноустройства могут использовать ультразвук или электромагнитные волны.

Разумеется, здесь изложены основополагающие идеи для создания нанороботов. Пройдет еще несколько лет, а может и десятилетия, прежде чем будут созданы эффективные нанороботы.

Контрольные вопросы

  1. Почему применение наночастиц в лекарствах может существенно увеличить их эффективность?
  2. Что с себя представляют полимерные коньюгаты?
  3. Для каких целей используются полимерные коньюгаты?
  4. Какими особенностями обладают дендримеры? Для каких целей они могут использоваться в медицине?
  5. Применение наносфер и нанокапсул.
  6. Для каких биологических целей целей могут использоваться фуллерены?
  7. Какими достоинствами для адресной доставки лекарств обладают липосомы?
  8. Модель идеальной липосомы для адресной доставки лекарств.
  9. Биочип как лаборатория для анализа различных веществ.
  10. Достоинства биочипов для контролируемого введения лекарств.
  11. Каким образом можно использовать нанопровода для детектирования вирусов или онкологических заболеваний?
  12. Наночастицы для диагностики состояния головного мозга.
  13. Существующие конструкции нанопинцетов.
  14. Для каких целей могут использоваться нанороботы?
  15. Вирусы и живые клетки как основа для создания нанороботов.

Литература

  1. Алехин А.П. Физико-химические основы субмикронной технологии. М.: МИФИ,1986.
  2. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. М.: 1966.
  3. Белая книга по нанотехнологиям: Исследование в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации (по материалам Первого Всероссийского совещания ученых, инженеров и производителей в области нанотехнологий). М.: Изд.ЛКИ, 2008.
  4. Дугар-Жабон В.Д. Введение в газовую электронику. М.: Изд.УДН, 1988.
  5. Габович М.Д., Плешивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Изд. «Энергоатомиздат»,1986.
  6. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. М.: Высшее образование, 2007.
  7. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином, 2005.
  8. Лебедев Ю.А. Введение в плазмохимию. Школа по плазмохимии. 2006 г. http://www.isuct.ru/konf/plasma/LECTION/Lebedev_lection.html
  9. Меньшутина Н.В. Введение в нанотехнологию. Калуга: Издательство научной литературы Бочкаревой Н.Ф.,2006.
  10. Рогов В.А., Ушомирская Л.А., Чудаков А.Д. Основы высоких технологий. М.: «Вузовская книга», 2007.
  11. Русанов В.Д., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Изд. «Наука», 1984 г.
  12. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1-5. М.: Изд. Астрель, 2003
  13. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.1-5. М.: Физматлит, 2002.
  14. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. М.: Техносфера, 2008.
Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Привет студентам) если возникают трудности с любой работой (от реферата и контрольных до диплома), можете обратиться на FAST-REFERAT.RU , я там обычно заказываю, все качественно и в срок) в любом случае попробуйте, за спрос денег не берут)
Olya16:34:27 01 сентября 2019
.
.16:34:27 01 сентября 2019
.
.16:34:26 01 сентября 2019
.
.16:34:25 01 сентября 2019
.
.16:34:24 01 сентября 2019

Смотреть все комментарии (11)
Работы, похожие на Реферат: Методические рекомендации для преподавателя Дисциплина «Естественнонаучные основы высоких технологий» Специальность 090103 Организация и технология защиты информации 100101 Сервис

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(258735)
Комментарии (3485)
Copyright © 2005-2020 BestReferat.ru support@bestreferat.ru реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru