«нанотехнология негіздері» ПӘннің ОҚУ Әдістемелік кешені

2 Тенденциялары және дамыту.

Адамзат көне заманнан бері энергияның жаңа көздерін іздеуде. ХХ ғасырдың ортасына қарай ол барлық дерлік оның табиғи көзі игерілді, ал коммерциялық ауқымда оларды пайдалануға, әсіресе ірі, өнеркәсіптік қалаларында, қалдықтарды өндірістік ортаның елеулі ластануына алып келді.

Атом энергиясын меңгеру - ХХ ғасырдың ештеңе тең келмейтін ғылыми-техникалық ең үлкен жетістіктерінің бірі. Материалдарды табиғи сақтау, атомның құпиясы, ядролық энергетикаға атомның енуі, яғни осының бәрі бұрын соңды осындай нәрселерді істей алмағанымен қазір бәрі қолжетімді. Жоғары қуатты жаңа энергия көздері бай баға жетпес мүмкіндіктердің кепілі болып тұр.

Энергетика бүгінде әлемдік өркениеттің мыңызды қозғаушы күшіне айналып отыр. Адамзаттың XXI ғасырдағы тұрақты әлеуметтік-экономикалық дамуын қамтамасыз етуде және энергетикалық сұраныстарын қанағаттандыруда ядролық энергетика айтарлықтай үлес қосуға тиіс. Әлемдік тәжірибе көрсетіп отырғанындай, Қазақстанда ядролық энергетиканы қолданбастан жақын және алыс болашақта энергетикалық кілтипандарды шешуге болмайтын сияқты. Қазақстан энергетикасы ерте ме, кеш пе, әйтеуір осы жолды таңдары анық. Бұл ретте көмірсутегімен салыстырғанда атом энергетикасының үлкен экономикалық тартымдылығы шешуші рөл ойнауы тиіс. Алып қорлары барына қарамастан уақыт өте келе көмірсутегі энергия тасымалдағыштарының сарқыла бастайтыны, сондай-ақ парникті шығындыларды шектеу мен қоршаған ортаны қорғау бойынша халықаралық стандарттарды сақтауға байланысты экологиялық құрамдас бөліктері де соған итермелейді.

Сондықтан, ХХ ғасырдың соңы, адамзат толығымен уран-235 атом энергиясын қорларын пайдалануды игерді. Отынның бұл түрі, атомдық қазандықтарда жағылады. Уран энергиясын тұтынуды қазіргі энергетикалық әлемдік жылдамдықпен қолдансақ, онда ол 50-60 жылға ғана жетеді.

Әрине, бұл энергияны табиғи газ, көмір және мұнай алу үшін, пайдалануға болады. Бірақ энергетикалық даму жолы болмайды. Себептері көп: ол экологиялық мәселе болып табылады - отынды жағудан улы химиялық өнімдермен қоршаған ортаны ластау, қазба отынның бағасы өседі. Мұнай және газды энергия көзі ретінде оларды пайдалану біз үшін сыйымсыз деп айтуға болады. Міне осы проблема болып табылады: адамзат энергияны болашақта қандай материалдан, қандай әдістермен алуға тиіс? Қазіргі уақытта мәселені шешу үшін кейбір негізгі ұғымдар бар:

1. Уран отын станцияларының желісін кеңейту.

2. Уран қарағанда табиғатта жиі тория-232-отын ретінде пайдалану, көшу.

3. Жылдам нейтронды ядролық реакторлар өту, 3000-нан астам жыл бойы ядролық отынның жаңғыртуды қамтамасыз ете алады, ядролық отынды жаңғыртады, ол қазір күрделі инженерлік проблема болып табылады және үлкен экологиялық қауіп асырады, сондықтан күрделі қарсылықтарға кезігеді.

4. Термоядерных реакцияны меңгеру Термоядерных реакцияда энергия гелий сутегі айналу кезінде жүретін процес. Тез термоядролық реакциялар сутегі бомбаларында жүзеге асырылады. Енді термоядролық реакциялардың ғылым міндеті жарылыс түрінде емес, бірақ басқарылатын, тыныш ағыс процесінің түрінде беріледі. Бұл мәселені шешу ядролық отын ретінде әлемдегі сутегі орасан зор қорына пайдалануға мүмкіндік береді.

Қазіргі уақытта энергетиканы дамыту мынадай сызбасы ең ақылға қонымды болып тұр: термоядролық реакция басқару мәселесін шешу кезеңінде уран және уран-торий АЭС кеңейту.

2 Қазіргі кезде энергияны дамыту сызбасы қалай көрсетілген?

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.
7 Дәріс

(2 сағ; 8, 9 апталар)
Тақыры. Наноқұрылымды қалыптастыру зондық әдістері.
Сұрақтары
1 Ғылым мен өнеркәсіп үшін зондық сканерлеуші микроскоптар

2 Зондық сканерлеуші микроскопия

Нанотехнологиялар бетінің материалдардың әр түрлі қасиеттерін зерттеу жаңа деңгейін ашады. Сонымен қатар, нанолитография өндіруге, нашар наноқұрылымдар бетінде байланысты жылжыту бетінде ықтимал физикалық әсерлері: бетін зерттейді, сонымен қатар нақты әсер мүмкіндігін көрсету (1 сурет).

Бүгінгі күнінің өзінде зондық сканерлеуші микроскобы екі кезеңі тұрды.

Бірінші кезеңге сканерлеуші туннельдік микроскобы (СТМ) жатады. 1981 жылы ІВМ корпорациясыныњ швейцариялық филиалындағы екі инженер - Герд Бинниг пен Гейнрих Рорер туннельдеуші микроскоп ойлап тапты. Микроскоптың құрылымы аса қарапайым: шамалы қысымға қосылған аса жіңішке ине бір нанометр шамасындағы қашықтықта материалдың үстімен жылжып отырады.

Осы кезде инелердің өткір ұшы материалдың беткі қабатына электрондарды тесіп өткізеді де, соның нєтижесінде шамалы тоқ пайда болады, оныњ көлемі ине мен беткі қабаттың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Осылайша материалдың беткі қабатынан жекелеген атомдарды «ажыратуға» мүмкіндік туады.

Тєжірибе барысында анықталғандай, тоннельдеуші микроскоптың бұрынғыларға қарағанда біршама артықшылықтары бар екен. Соның көмегімен жекелеген атомдарды «көруді» былай қойғанда, соларға әсер ету арқылы кез-келген кернеуді өзгертуге де мүмкіндік туады: қарапайым тілмен айтсақ, тоннельдеуші микроскоптың көмегімен атомды «іліп» алуға және қажетті жеріне қондыруға болады. Физиктердің атомдарды із қалауынша орналастыруға теориялыќ мүмкіндіктері пайда болады, яғни соларды кірпіш секілді қалай отырып, кез-келген затты жасап шығуға болады екен.

СTM жұмыс приципі: СTM өткір металл ине бірнеше ангстрем қашықтықта қолданылады. Инеге қатысты қолданылатын кезде туннелдеу ағымдағы болады. Осы ток шамасының үлгісі инелі қашықтыққа экспоненталық байланысты болады. Шамамен 1 А қашықтықтағы типтік мәндері 1-1000 Па тең. Зондық сканерлеуші микроскобы бірінші класындағы микроскоп болып сканерлеуші туннельдік микроскобы болса, ал атом күшi бар және жақын аймақты оптикалық микроскобы кейінірек әзірленді.

Сканерлеу барысында үлгі беті бойымен инелі қадамдар туннелдеумен байланысты, кері байланыстар әрекетке тұрақты сақталады және қарастырушы жүйесіннің айғақтар бетінің топографиясына байланысты өзгеріп отырады. Бұл өзгерістер жазылған және олар негізделген биіктік картасында жазылады. Тағы бір әдіс үлгінің үсті тіркелген биіктікте ине қозғалысын қамтиды. Бұл жағдайда, негізгі туннелдеу ағымдағы өлшемінің мәні және беттік топография құрылысы болып табылады.

1986 жылы атом күштік микроскоптар (АКМ) жасалып шығарылды, олар өзара күштерін ара қатынасы көмегімен ойлап табылған. Олар патефон сияқты салынған болдған. Серіпедегі өткір ине беткі қабатқа сырғып барып, серіппенің ауытқуын өлшейді. Ең бірінші серіпелер жұқа пластиналардан жасалған, оларға кішкентай өткір ине жабыстырылады, ол – кантилевер деп аталады. Кантилеверге қойылатын талап – ол әр кезде өткір болуы шарт. (2 сурет). Кантилеверлердің өнеркәсіптік өндіру технологиясы ол зонд микроскоптар екінші буыны дами бастағанда шықты, негізі 1990 жылы құрылды.

2 СТМ қолданылу аясы?

3 АКМ қай жылы шықты? Жұмыс приципі.
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.


8 Дәріс

(1 сағ; 10апта)
Тақырыбы. Наноөлшемді суреттерді қалыптастыру әдістері.

Сұрақтары
1 Электрокүтік әдісі.

2 Сканерлеуші тунелдік әдіс.

1 Сурет. Кері байланыс жүйесінің зондық микроскоптың схемасы.

ЗСМ көрінісін көрсету үшін сынаманы сканерлеудің арнайы ұйымдастырылған процессі болып табылады. Беті пропорционал жетегімен сигнал мөлшерімен компьютердің жадында есепке алынады. Белгілі бір (сканерлеу жолы) боймен үлгідегі жоғарыда зондық бірінші жүріп сканерлеген кезде өтіп, содан кейін қайтадан бастапқы нүктесінде зондық және келесі сканерлеу желісіне барады, және бұл процесс қайталанады. Осылайша компьютермен өңделеді кері байланыс сигнал сканерлеу жазылады, содан кейін бетінің бедері Z = F (х, у) ЗСМ бейнесі компьютерлік графика арқылы салынды. Механикалық, электрлiк, магниттiк, оптикалық және басқа да көптеген: үсті топографиялық зерттеумен қатар, зондық микроскоптар түрлі беттік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді.

2 Сканерлеуші тунелдік әдіс.

3 Кельвин әдісі.
Ұсынылған әдебиттер
Негізгі
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.] [Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2001. – 224 с.

Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. - Нижний Новгород: Изд. РАН. – 2004. – 114 с.

Борисенко В.Е., Воробьева А.И. Наноэлектроника. Учебное пособие. Минск: БГУИР, 2003. – 76с.
Қосымша
Абрамчук Н. С., Авдошенко С. Мтр., Баранов А. Н. с. Нанотехнологии - Азбука для всех / Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. – М.: Изд. ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 368с.