Физика наноструктурированных материалов

Abstract

Последние два десятилетия развития физики, химии и технологии твердого тела характеризовались целенаправленными усилиями по синтезу и изу- чению свойств широкого спектра новых материалов и структур, получив- ших общее наименование наноструктуры (наноматериалы). Такие мате- риалы представляют собой искусственно синтезированные среды, содер- жащие неоднородности с характерными размерами 10-100 нанометров различной природы и конфигурации внутри полупроводниковых и диэлек- трических матриц. К наноструктурам, в частности, относятся полупровод- никовые гетероструктуры и структуры с квантовыми ямами, нитями и точ- ками; молекулярные структуры углерода: фуллерены и нанотрубки; нанок- ристаллы; недавно синтезированные скульптурные тонкие пленки; порис- тый кремний; фотонные кристаллы и т.п. Несмотря на различную физиче- скую природу неоднородностей, их объединяют весьма малые размеры в одном или нескольких направлениях, всего на 1--2 порядка превышающие характерное межатомное расстояние. В этих условиях в полной мере про- является квантовая природа движения носителей тока, а существенная не- однородность обуславливает неприменимость или, по крайней мере, огра- ниченную применимость традиционных для физики твердого тела мето- дов макроскопического описания. При этом оказывается, что механиче- ские и физико-химические свойства наноструктур радикально отличаются от свойств однородных твердых тел. Согласно оценкам ведущих научных экспертов, развитие нанотехнологии, наряду с биофизикой и молекуляр- ной биологией, будет определять научное и технологическое лицо XXI ве- ка. Можно утверждать, что проблемы физики, химии и технологии наност- руктур, будучи безусловно фундаментальными, одновременно являются критическими для решения широкого класса прикладных задач и, в пер- спективе, развития наиболее передовых отраслей современного производ- ства. Целью данного курса как важной составляющей подготовки специа- листа в области физики твердого тела является освоение студентами базо- вых понятий физики наноструктур и понимание физических особенностей, определяющих свойства наноструктурированных материалов. Будут объ- яснены основные понятия, использующиеся в этой области. Проиллюстри- рованы экспериментальные методы исследования наноструктур. Приведе- ны простейшие примеры теоретических расчетов. Материал курса основан на базовых знаниях и представлениях, за- ложенных в общих курсах физики твердого тела, оптики, атомной физики, квантовой механики и др.