Физика на переломе тысячелетий: физические основы нанотехнологий

Опубликовано 08.02.2012
Владимир Воронов   |   просмотров - 2618,   комментариев - 0
Физика на переломе тысячелетий: физические основы нанотехнологий

Владимир Воронов, Алексей Подоплелов, Ренад Сагдеев

Учебник предназначен для студентов старших курсов, которые готовятся стать инженерами на промышленных предприятиях или сотрудниками научно-исследовательских организаций. Книга полезна и для других специальностей, где читаются курсы, связанные с физическими явлениями материального мира нано- и микромасштабов. Авторы стремились к тому, чтобы материал в учебнике был изложен в интересной форме. В книгу включено много иллюстраций.

Учебник состоит из трех частей. В первой излагаются физические явления, относящиеся к плазменному состоянию вещества. Основополагающие идеи микро- и наномира материальных тел, находящихся в твердом и жидком состояниях, нашли отражение во второй части учебника. Третья часть посвящена материалам по теоретическим и экспериментальным методам исследования многоэлектронных систем. Книга является третьей частью серии «Современная физика».

Один из авторов, профессор Владимир Воронов, отмечает: «В связи с бурным развитием нанонаук, существенно расширяется область применения научных достижений в различных сферах человеческой деятельности. Данное обстоятельство диктует необходимость готовить соответствующие инженерно-технические кадры. Имеется достаточно обширная научная литература по различным разделам физики микро- и наномира в виде оригинальных статей и обзоров, публикуемых в специализированных периодических изданиях. Однако она рассчитана, главным образом, на специалистов. Что касается учебной литературы по этим разделам, то она практически отсутствует».

Работая над изданием, авторы ставили перед собой цель подготовить книгу, которая смогла бы стать первым отечественным учебником для вузов, готовящих специалистов по нанотехнологиям.

Предисловие авторов

В связи с бурным развитием нанонаук (в том числе и нанофизики), свидетелями которого мы являемся, существенно расширяется и область применения научных достижений в различных сферах человеческой деятельности. Данное обстоятельство диктует необходимость готовить соответствующие инженерно-технические кадры. Становится поэтому очевидной задача издания соответствующей литературы (учебников, учебных пособий, методических указаний), прежде всего для высшей школы на федеральном уровне. Имеется достаточно обширная научная литература по различным разделам физики микро- и наномира в виде оригинальных статей и обзоров, публикуемых в специализированных периодических изданиях. Однако она рассчитана, главным образом, на специалистов. Что касается учебной литературы по обозначенному выше разделу знаний, то она практически отсутствует.

Данный учебник предназначен для студентов старших курсов, обучающихся по направлениям, готовящим инженерно-технических работников промышленных производств, а также научных сотрудников для научно-исследовательских организаций. Он может использоваться и для обучения по другим специальностям естественно-научного и технического направления в тех вузах, где читаются курсы, связанные с физическими явлениями материального мира нано- и микромасштабов. Наконец, он может быть полезен преподавателям (особенно начинающим), которые ведут (или будут вести) занятия по соответствующим дисциплинам. Предполагается, что на изучение изложенного в учебнике материала должно отводиться до ста пятидесяти часов общего времени.

Учебник состоит из трех достаточно самостоятельных частей. Первая часть отведена для изложения сведений об основополагающих физических явлениях, относящихся к плазменному состоянию вещества, и описывающих их законах. Следует отметить, что в СССР было издано достаточно много научной и учебной литературы, в том числе переводной, с изложением в ней наших знаний о плазме. Во многом это отражает тот факт, что советские и российские ученые внесли значительный вклад в данную область исследований. Специфика настоящего времени состоит, по нашему мнению, в том, что нанотехнологии (по крайней мере те, которые уже разрабатываются) требуют знаний о плазменном состоянии вещества, полученных, главным образом, в последние примерно двадцать пять -- тридцать лет. Особенно важными являются те разделы, которые отражают результаты исследований кластерных образований в плазме.

Еще одна область физики, имеющая принципиальное значение для создания нанотехнологий, связана с конденсированным состоянием вещества в наномасштабных областях пространства. Имеются в виду наноструктуры как таковые, а также входящие в состав макрообразцов, прежде всего у поверхности твердых тел. Основополагающие идеи, относящиеся к физике микро- и наномира материальных тел, находящихся в твердом и жидком состояниях, нашли отражение во второй части учебника. Эта часть книги является фактически продолжением двух предыдущих выпусков серии «Физика на переломе тысячелетий». Как и данный учебник, указанные выпуски изданы прежде всего с целью введения новых знаний об окружающем нас материальном мире в учебный процесс.

Помимо вышеназванных двух частей, мы включили в нашу книгу материал, относящийся к теоретическим и экспериментальным методам исследования многоэлектронных систем. При этом мы стремились уделять внимание в учебнике теоретическим методам, которые позволяют достаточно адекватно описывать прежде всего многочастичные аспекты коллективных электронных явлений. Что касается новых экспериментальных методов исследования многоэлектронных систем, то мы упомянули те, в создание которых внесли существенный вклад советские и российские ученые.

Учебник написан на основании материала, отобранного из обзорных статей, опубликованных в журнале «Успехи физических наук» (УФН). Список использованной литературы приводится в конце каждой части. В целом ряде случаев в него включались публикации, из которых материал не брался вовсе или если это делалось, то в небольшом объеме. Поступая таким образом, мы исходили из того, что наш читатель должен сначала получить представление об общей картине обсуждаемого раздела физики. Такую картину естественней всего составить, взяв за основу конкретную публикацию (публикации). Затем на следующем этапе читатель сможет познакомиться с соответствующим разделом знаний на более глубоком уровне, включающем рассмотрение вопросов проблемного характера. Например, первый пункт первой главы третьей части учебника написан на основе обзора Ю. А. Изюмова и Э. З. Курмаева «Материалы с сильными электронными корреляциями», см. Литературу к части 3. По нашему мнению, приведенный в этой обзорной статье материал позволяет его адаптировать для читателей (прежде всего для студентов, магистрантов, аспирантов), не знакомых с физикой сильнокоррелированных ферми-систем. Хотя очевидно, что для углубленного понимания особенностей строения и поведения таких систем необходимо знакомство и с другими работами. В этом смысле нам представляется чрезвычайно полезным обстоятельный обзор «Универсальное поведение сильнокоррелированных ферми-систем» (авторы В. Р. Шагинян, М. Я. Амусья, К. Г. Попов), см. Литературу к части 3.

Работая над рукописью данного издания, мы надеялись подготовить книгу, которая смогла бы стать первым отечественным учебником если не для всех, то для большинства вузов, готовящих специалистов по соответствующим направлениям обучения. Мы стремились к тому, чтобы изложение включаемого в учебник материала имело интересную форму, что способствует более сознательному его усвоению. Эту же цель преследует включение в текст книги многочисленных иллюстраций. Мы, авторы книги, понимаем как меру ответственности, которую берем на себя, так и сложность поставленной задачи. Отсюда упущения, которых, по-видимому, нам не удалось избежать. Поэтому с благодарностью воспримем любые замечания коллег относительно содержания и оформления данного учебника.

В. К. Воронов, А. В. Подоплелов, Р. З. Сагдеев



Оглавление

Часть 1. Плазменное состояние вещества

Глава 1. Кластерная плазма

§ 1.

Условия существования кластерной плазмы

1.1.

Неустойчивость кластеров в однородном паре

1.2.

Химическое равновесие в кластерной плазме

1.3.

Условия образования кластеров в неоднородном паре

1.4.

Стабильность заряженных кластеров

§ 2.

Зарядка кластеров и малых частиц в плазме

2.1.

Зарядка с участием электронов и ионов плазмы за счет процессов переноса

2.2.

Зарядовое распределение частиц в плазме

2.3.

Ионизация кластеров в плазме

§ 3.

Процессы в кластерной плазме

3.1.

Рост кластеров в кластерной плазме

3.2.

Излучение кластеров

3.3.

Тепловое равновесие кластеров в плазме

3.4.

Кластерная плазма в источниках света

§ 4.

Методы генерации кластеров

Основные выводы

Глава 2. Магнетронная плазма

§ 1.

Описание магнетронного разряда

1.1.

Принципы магнетронного разряда

1.2.

Магнетронная камера

§ 2.

Диагностика магнетронной плазмы

2.1.

Атомная микроскопия

2.2.

Рентгеновские методы исследования

2.3.

Видимая, УФ- и ИК-спектроскопия

2.4.

Диагностика заряженных частиц в плазме

Основные выводы

Глава 3. Применение кластеров

§ 1.

Кластерные пучки для производства тонких пленок и других материалов

§ 2.

Напыление кластеров на поверхность

Основные выводы

Глава 4. Фемтосекундное возбуждение кластерных пучков

§ 1.

Лазерное облучение кластерных пучков

§ 2.

Рентгеновское излучение кластерной плазмы при фемтосекундном возбуждении

§ 3.

Фемтосекундная кластерная плазма как генератор нейтронов

Основные выводы

Глава 5. Неидеальная плазма

§ 1.

Мощные ускорители частиц

§ 2.

Генерация экстремальных состояний материи с помощью интенсивных ионных пучков

§ 3.

Адронная терапия с использованием пучков от ускорителей

Основные выводы

Глава 6. Пылевая плазма

§ 1.

Элементарные процессы в пылевой плазме

1.1.

Зарядка пылевых частиц в плазме

1.2.

Электростатический потенциал вокруг пылевой частицы

1.3.

Основные силы, действующие на пылевые частицы в плазме

1.4.

Взаимодействие между пылевыми частицами в плазме

1.5.

Образование и рост пылевых частиц

§ 2.

Неидеальность пылевой плазмы и фазовые переходы

2.1.

Теоретические подходы к описанию свойств неидеальной пылевой плазмы

2.2.

Экспериментальное исследование фазовых переходов

2.3.

Пылевые кластеры в плазме

2.4.

Исследования свойств пылевой плазмы в условиях невесомости

§ 3.

Линейные волны и неустойчивости в пылевой плазме

3.1.

Ионнозвуковые и пылезвуковые колебания

3.2.

Волны в неидеальной пылевой плазме

§ 4.

Возможные приложения пылевой плазмы

Основные выводы

Глава 7. Лазерная плазма

§ 1.

Генерация быстрых электронов в лазерной плазме

§ 2.

Генерация быстрых протонов и ионов в лазерной плазме

§ 3.

Магнитные поля лазерной плазмы

§ 4.

Генерация высших гармоник лазерного излучения

Основные выводы

Литература к части 1


Часть 2. Конденсированное состояние

Глава 1. Оптические свойства наноматериалов

§ 1.

Оптические свойства нанокомпозитов

1.1.

Модели эффективной среды

1.2.

Формирование нанокомпозитных сред

1.3.

Двулучепреломление в наноструктурированных полупроводниках и диэлектриках

Основные выводы

§ 2.

Оптические свойства микроструктурированных световодов

2.1.

Свойства микроструктурированных световодов

2.2.

Оптические устройства на основе микроструктурированных световодов

Основные выводы

Глава 2. Физические свойства углеродных нанотрубок и материалов на их основе

§ 1.

Структура и свойства нанотрубок

1.1.

Структура однослойных нанотрубок

1.2.

Электронные свойства нанотрубок

1.3.

Автоэлектронная эмиссия углеродных нанотрубок

1.4.

Упругие свойства углеродных нанотрубок

1.5.

Электромеханические свойства углеродных нанотрубок

§ 2.

Материалы и композиты на основе углеродных нанотрубок

2.1.

Материалы из нанотрубок

2.2.

Полимеры и композитные материалы на основе углеродных наноструктур

2.3.

Нанотехнологические применения углеродных нанотрубок

Основные выводы

Глава 3. Эффекты размерного квантования в наноструктурах

§ 1.

Закономерности формирования поверхностных наноструктур германия и кремния

1.1.

Образование островков германия на окисленной поверхности кремния

1.2.

Рост кремния на окисленной поверхности кремния

1.3.

Излучательные свойства наноструктур германия и кремния

Основные выводы

§ 2.

Теплопередача и бесконтактное трение между наноструктурами

2.1.

Радиационная передача тепла

2.2.

Бесконтактное трение

Основные выводы

§ 3.

Особенности электронного строения металлических нанокластеров

3.1.

Энергетические оболочки нанокластеров

3.2.

Парная корреляция и свойства кластеров

Основные выводы

§ 4.

Наноструктуры на основе атомной оптики

4.1.

Атомная фабрикация наноструктур на основе бегущих и стоячих световых волн

4.2.

Атомная фабрикация наноструктур на основе лазерных нанополей

Основные выводы

§ 5.

Структура и свойства нанокомпозитных покрытий

5.1.

Нанокомпозитные покрытия с повышенной твердостью

5.2.

Сверхтвердые нанокомпозиты

5.3.

Перспективы применения нанокомпозитных покрытий

Основные выводы

Глава 4. Упорядоченные молекулярные материалы

§ 1.

Жидкие кристаллы

1.1.

Основные определения и свойства нематических жидких кристаллов

1.2.

Эффекты бистабильного электрооптического переключения

1.3.

Оптика и фотоника пространственно-периодических жидкокристаллических структур

1.4.

Взаимодействие и самоорганизация топологических включений в смектических пленках

Основные выводы

§ 2.

Электропроводящие полимеры

2.1.

Электропроводимость полимеров

2.2.

Электропроводящие полимеры на основе дифенилфталида

Основные выводы

Глава 5. Трекообразование и дефектообразование в конденсированных средах

§ 1.

Формирование и эволюция треков заряженных частиц в конденсированных средах

1.1.

Развитие представлений о треках заряженных частиц

1.2.

Природа основных процессов взаимодействия заряженной частицы со средой

1.3.

Структура треков тяжелых ионов различной природы

1.4.

Радиационно-химические реакции в треках

1.5.

Модели образования латентных треков

Основные выводы

§ 2.

Радиационно-динамические эффекты в метастабильных средах

2.1.

Распределение дефектов при облучении веществ ионизирующим излучением

2.2.

Распространение послекаскадных ударных волн в стабильных и метастабильных средах

2.3.

Обработка материалов с использованием радиационно-индуцированных эффектов

Основные выводы

§ 3.

Селективное удаление атомов под действием ионного облучения

3.1.

Экспериментальные методы селективного удаления атомов

3.2.

Природа процесса селективного удаления атомов

Основные выводы

Литература к части 2

Часть 3. Многоэлектронные системы

Глава 1. Описание многочастичных аспектов коллективных электронных явлений

§ 1.

Материалы с сильными электронными корреляциями

1.1.

Электронная структура сильнокоррелированных систем

1.2.

Особенности электронного строения d- и f-систем

Основные выводы

§ 2.

Коллективные электронные явления в графене

2.1.

Основные положения зонной теории графена

2.2.

Квантовый эффект Холла в графене

2.3.

Спаривание в электронно-дырочном бислое

Основные выводы

Глава 2. Низкоразмерные эффекты в наноструктурах

§ 1.

Физические процессы в магнитных наноструктурах, индуцируемые спин-поляризационным током

Основные выводы

§ 2.

Плазмонные колебания в наночастицах

Основные выводы

§ 3.

Фононный аналог эффекта Фано в низкоразмерных наноструктурах

3.1.

Многоканальное рассеяние акустических фононов на двумерном дефекте кристалла

3.2.

Рассеяние акустических фононов в квазиодномерном волноводе с поверхностными фононными отводами

3.3.

Многоканальное рассеяние фотонов на двумерных наноструктурах

Основные выводы

§ 4.

Основы теории квантовых фазовых переходов

4.1.

Тепловые и квантовые флуктуации

4.2.

Квантовые фазовые переходы

Основные выводы

Глава 3. Феноменологические теории в многочастичных задачах

§ 1.

Феноменологическое описание метаматериалов

1.1.

Формулы смешения

1.2.

Среды с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями

Основные выводы

§ 2.

Упругие свойства квазикристаллов

2.1.

Икосаэдрическая система

2.2.

Декагональная система

Основные выводы

§ 3.

Кластеры и фазовые переходы

3.1.

Структура твердых кластеров

3.2.

Фазовые переходы в простых системах связанных атомов

3.3.

Конфигурационное возбуждение кластеров с парным взаимодействием

Основные выводы

Глава 4. Новые спектральные методы исследования вещества

§ 1.

Рентгеновская оптика преломления

1.1.

Классификация устройств рентгеновской оптики

1.2.

Основные положения рентгеновской оптики преломления

1.3.

Приложения преломляющей оптики

Основные выводы

§ 2.

Позитронная аннигиляционная спектроскопия

2.1.

Теория метода

2.2.

Экспериментальные методы позитронной спектроскопии

Основные выводы

Литература к части 3

Книжный дом «ЛИБРОКОМ»


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!