nanostruktury
 
Encyklopedia
nanostruktury
[gr.-łac.],
elektron. struktury materialne składające się z elementów, których wielkość zawiera się (umownie) w granicach od kilku do kilkuset nm.
Termin „nanostruktury” pojawił się wraz z wynalezieniem przyrządów umożliwiających ich badanie i z rozwojem technologii pozwalających na ich wytwarzanie. Dotyczy to głównie struktur elektronowych wytwarzanych w laboratoriach od lat 80. XX w.; wśród nich rozróżnia się: struktury planarne, liniowe i punktowe. W nanostrukturach o dostatecznie małych rozmiarach obserwuje się bezpośrednio efekty kwantowego ograniczenia energii i składowych pędu elektronów; w strukturach planarnych, składających się z wielu warstw półprzewodnikowych, elektrony mogą poruszać się swobodnie w dwu wymiarach (w warstwie nanostruktur), w strukturach liniowych, zwanych również drutami kwantowymi — w jednym wymiarze (wzdłuż drutu kwantowego); w strukturach punktowych, zwanych też kropkami kwantowymi, elektrony są pozbawione możliwości poruszania się (są uwięzione w kropce kwantowej). Obserwuje się też kwantowe efekty tunelowania elektronów (tunelowe zjawisko) przez bariery potencjału oraz kwantową interferencję stanów elektronowych. Nanostruktury planarne otrzymuje się metodą kolejnego nakładania na podłoże monokrystaliczne bardzo cienkich epitaksjalnych warstw materiałów półprzewodnikowych o różnym składzie. Nanostruktury liniowe i punktowe wytwarza się metodami litografii, na którą składają się kolejno: aktywowanie (najczęściej za pomocą wiązki elektronów) materiału maski nakładanej na półprzewodnikowe podłoże, wytrawianie w podłożu przewidzianego wzoru, pokrycie powierzchni warstwą półprzewodnika lub metalu (litografia). Zarówno do trawienia, jak i do domieszkowania wybranych obszarów podłoża stosuje się zogniskowane wiązki jonów. Obecnie nanostruktury planarne wytwarza się na skalę przemysłową, natomiast druty i kropki kwantowe — tylko w laboratoriach. Najczęściej do otrzymywania warstw półprzewodnikowych stosuje się osadzanie substancji z fazy gazowej oraz z wiązek molekularnych (epitaksjalne warstwy). Poszukuje się innych sposobów masowego wytwarzania nanostruktur; jednym z nich jest powielanie nanostruktur przez odciskanie matryc z tworzyw szucznych. Otrzymywanie nanostruktur umożliwia konstruowanie takich układów, jak: lasery półprzewodnikowe, tunelowe diody rezonansowe, jednoelektronowy tranzystor, kwantowe kontakty punktowe; może także ułatwić dalszą miniaturyzację obwodów scalonych i elementów pamięci komputerów.
Nanostrukturami nazywa się również niekiedy produkty molekularnej nanotechnologii, czyli struktury budowane atom po atomie za pomocą programowanej, obecnie jeszcze hipotetycznej fizycznej syntezy. Duże nadzieje wiąże się z możliwościami uzyskiwania nanostruktur w wyniku samoorganizacji cząsteczek, występującej w niektórych układach chemicznych oraz w niektórych stopach metali (np. Alnico). Nanostruktury są obecnie stosowane głównie w dziedzinie elektroniki i optoelektroniki; trwają też intensywne prace badawcze nad ich wykorzystaniem do budowy hybrydowych elektroniczno-biologicznych urządzeń (czujników, stymulatorów, dozowników leków), które byłyby stosowane do celów diagnostycznych lub też wszczepiane pacjentom.
Nanostruktury spotyka się też powszechnie w przyrodzie; np. płaskimi nanostrukturami o złożonej warstwowej budowie są błony komórkowe, a liniowymi nanostrukturami — elementy rzęsek bakterii lub pierwotniaków. W końcu XX w. udało się również, dzięki współpracy naukowców z różnych dziedzin, poznać molekularną strukturę biologiczną nanomechanizmów — molekularnych „silniczków”, odpowiedzialnych np. za transport jonów przez błony komórkowe.
Jan Kozubowski
Bibliografia
G. Milburn Inżynieria kwantowa, Warszawa 1999.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia