Рождественские лекции в НИТУ "МИСиС"

Современная электронная микроскопия для анализа свойств наноматериалов

Наноматериалы призваны изменить жизнь человечества в 21 веке.

Уникальные параметры прочности, электронной и тепловой проводимости делают их незаменимыми для создания новых сверпрочных и суперлёгких конструкций, электронных схем и различных устройств используемых в быту.

Но как узнать какой наноматериал наиболее пригоден для каждого конкретного применения? 

И тут на помощь приходит современный электронный микроскоп способный не только различать индивидуальные атомы и дефекты в материале при разрешениях до долей нанометра но и испытывать его при различных условиях нагружения, заряда, лазерного и теплового воздействия.

Все эти эксперименты будут продемонстрированы в данной лекции.

С. В. Таскаев (27.11.2015)

Метеороид, болид и метеорит «ЧЕЛЯБИНСК» 

15 февраля 2013г. чистое предрассветное небо Южного Урала озарилось ослепительно ярким шаром, который спустя короткое время взорвался в небе над г. Челябинском. Через несколько минут после взрыва поверхности земли достигла мощная взрывная волна, удар которой повредил ряд зданий и выбил стекла в тысячах квартир, сотнях магазинов и школ г. Челябинска. Практически сразу стало понятно, что это вызвано не техногенной катастрофой, а входом в атмосферу и последующим взрывом крупного небесного тела (метеороида), который получил впоследствии название «Челябинск».

В докладе детально описана эволюция метеорита «Челябинск». Приводятся оценки массы, хронология траектория падения, химический и фазовый состав метеоритного вещества. Проведен анализ падения известных метеоритов и построены модели разрушения метеорита в атмосфере. Приведены результаты исследования фрагментов Челябинского метеорита методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного микроанализа, рентгеноструктурного анализа, магнитометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Полученные данные позволяют отнести большинство изученных метеоритов к классу обыкновенных хондритов типа LL5. 

А. В. Карпов (01.12.2015)

Куда делась туманность Андромеды? 

За последние пол века основополагающие наблюдения о природе вселенной были сделаны с помощью радиоприёмников. Помехи дальней радиосвязи указали на то, откуда мы пришли и что за мир нас окружает.  А сверхпроводящие детекторы приблизили нас практически к квантовому пределу радио чувствительности и рассеяли многие  туманности. Мы обсудим развитие астрофизики и роль инструментов на основе сверхпроводящих датчиков.

Н.А. Усов (03.12.2015)

Современный магнетизм в приложениях: магнитная запись, биомедицина, микроэлектроника

Прогресс современных исследований в магнетизме основан на изучении и использовании в новых технологиях наноразмерных магнитных материалов:

нульмерных (наночастицы), одномерных (микро и нанопровода, нанотрубки), и двумерных (тонкие магнитные пленки и наноэлементы). В докладе будут рассмотрены недавние достижения в теории суперпарамагнитных наночастиц и перспективы их применения в биомедицине (магнитная гипертермия), проблемы сверхплотной записи информации, связанные с преодолением суперпарамагнитного предела, а также проблемы создания чувствительных сенсоров магнитного поля и сенсоров механических напряжений на основе эффекта гигантского магнито-импеданса в аморфных ферромагнитных микропроводах.

В.В. Рязанов (09.12.2015)

Будущее Электроники

Современная электроника основана на структурах металл-оксид-полупроводник (полевых транзисторах), размеры которых уже приближаются к 10 нанометрам. Дальнейшее уменьшение структур и интеграция элементов в электрические схемы без серьезного нарушения функциональности вызывает серьезные трудности. Другая проблема — значительное энергопотребление, связанное с тепловыделениями при переключениях полевых транзисторов. В связи с этим становится актуальным вопрос: что придет на смену полупроводниковой электронике? Ученые из различных областей физики отвечают на этот вопрос по-разному. Предлагаются решения на основе металлических туннельных структур (одно-электронных транзисторов), спиновых (спинтронных) устройств, использующих собственный магнитный момент электрона вместо его заряда, наноструктур на основе отдельных кластеров и молекул (молекулярная электроника) и другие решения, основанные на самых современных открытиях фундаментальной физики. В настоящей лекции делается короткий обзор всех этих направлений. Основное внимание уделяется перспективам сверхпроводниковой цифровой и квантовой электроники, бурно развивающейся в настоящее время в России и за рубежом.  

А.А. Захидов (11.12.2015)

Большая «Перовскитная» надежда для солнечной энергии

Лекция посвящена вопросам создания и использования новых эффективных материалов и систем для генерации энергии с использованием солнечной и других альтернативных источников. К числу таких материалов относятся нанотрубки и другие наноструктурные материалы на основе неорганических соединений. Семинар будет включать обсуждение наиболее перспективных направлений в области синтеза и исследования свойств таких систем.  Будут также рассмотрены различные аспекты технологий в области органических солнечный ячеек, проанализированы как теоретические аспекты их использования, включающие анализ динамики горячих экситонов и их диссоциации в электронах и дырках, так и практические задачи, связанные с состоянием поверхностей раздела и деградацией полимеров.

В области синтеза новых материалов для фотовольтаики одним из наиболее перспективных направлений являются гибридные органо-неорганические структуры на основе перовскитов. Анализ существующих способов создания солнечных элементов на их основе и путей преодоления возникающих при этом научных и технических проблем – одна из центральных тем семинара.

Термоэлектрические материалы позволяют осуществлять прямую трансформацию тепловой энергии в электрическую, что делает их уже сейчас незаменимыми во многих практических приложениях. Расширение диапазона их рабочих параметров позволяет создавать новые типы устройств для применения в различных практических приложениях.

Одной из задач современной науки является адаптация создаваемых новых материалов к практическим применениям и существующим технологиям производства различных материалов и изделий. Одним из эффективных путей решения этой проблемы является создание высоконаполненных концентратов наноматериалов с волокнистой структурой – углеродных нановолокон, полититанатов калия.

Комбинирование различных способов генерации энергии из неуглеродных источников позволит в будущем позволит создавать комплексные системы энергообеспечения с неограниченным ресурсом эксплуатации.

А.М. Глезер (15.12.2015)

Дефекты кристаллической решетки: друзья или враги?

Дана общая классификация дефектов кристаллов.  Рассмотрены особенности строения дефектов и их влияние на структуру и свойства материалов.

И.Ю. Смуров (18.12.2015)

Аддитивные технологии превращают мечту в реальность

Аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM) — новаторская технологическая концепция, активно разрабатываемая во всех постиндустриальных странах с начала нынешнего века. Её принцип состоит в том, что готовые функциональные изделия и поверхности создаются, послойно добавляя материал, например, наплавляя или напыляя порошок, добавляя жидкий полимер или накладывая композит. Фактически данная концепция представляет современную компьютеризированную форму технологий нанесения покрытий. Концепция призвана дополнить традиционное субтрактивное производство, основанное на удалении первичного материала (например, такие процессы, как фрезеровка, точение). Наиболее известные из AM-технологий:Стереолитография (SLA);  3х мерная печать (3D printing),  FDM–процесс (послойное наложение полимера);Лазерное спекание/плавление (SLS/SLM). Области применения селективного лазерного плавления металлического порошка: биомедицина, авиация и космонавтика, точная механика, изготовление пресс-форм и т.д.

Обзор охватывает последние (2013-2015 г) достижения в области синтеза новых материалов методом горения. Лекция посвящена анализу как традиционных подходов получения материалов, в режиме горения, так и новым направлениям, таким как совмещение искрового плазменного спекания и самоподдерживающихся реакций, получению нано пленок и другие.  Особое внимание уделено горению в наноструктурированных системах: наноструктурные композиционные частицы, реакционные нанофольги, нанотермиты. Рассмотрен метод горения растворов с точки зрения получения материалов для применения их в области катализа, суперконденсаторов, а также энергетических установок, работающих на солнечной энергии. Также обсуждается возможности метода синтеза горением для получения 2-D кристаллов, в том числе графена. На основе приведенного анализа и с учетом состояния в области современного материаловедения проанализированы перспективные направления развития в области синтеза материалов горением.

А.О. Орлов (23.12.2015)

Наноструктуры для квантовой электроники

(Физика туннельных наноструктур, полученных атомно-слоевым осаждением)

Продолжающaяся миниатюризация электронных приборов (до нескольких атомных слоев материалов в современных полевых транзисторах) требует хорошего понимания основных физических и химических процессов для осуществления точного контроля над процессами их изготовления. Одноэлектронный туннельный транзистор (ОТТ) является одним из наиболее перспективных сверхминиатюрных приборов, характеристики которого прямо связаны с его размерами. В ОТТ перенос носителей заряда через устройство контролируется Кулоновской зарядовой энергией наноразмерного «острова», туннельно связанного с электродами истока и стока и электростатически связанного с затвором. Кулоновский барьер EC= e2/2C (где e- элементарный заряд), контролируемый затвором ОТТ, обратно пропорционален общей ёмкости устройства, С, в связи с этим для преодоления тепловых флуктуаций (EC>kBT) емкость должна быть очень мала (<3 aФ для работы при комнатной температуре). Столь малая емкость достижима только в наноструктурах с размерами менее 10 нанометров. В то же время, для получения хороших показателей одноэлектронных транзисторов толщина туннельных переходов не должна превосходить всего лишь несколько атомных слоев, при этом качество этих слоев критически влияет на работу транзистора. Например, наличие дефектов в диэлектрике многократно увеличивает шумы в ОТТ, а  неоднородное осаждение диэлектрика приводит к резкому изменению его выходных характеристик. В докладе будут представлены экспериментальные результаты, полученные на ОТТ с туннельными переходами в которых использованы несколько комбинаций состава металл-диэлектрик-металл. Ультратонкие (толщиной порядка 1 нм) диэлектрики (SiO2, Al2O3, Si3N4), получены методом стимулированного плазмой осаждения атомнотонких слоев, а металлические наноструктуры, образующие ОТТ, выполнены методами электронно-лучевой литографии и химико-механической полировки. Таким образом, с одной стороны, исследования процессов образования ультратонких слоев диэлектрика а также методов их последующей обработки позволяют существенно улучшать характеристики приборов (что является необходимым условием для широкого применения ОТТ),  а с другой — исследование характеристик ОТТ позволяет сделать выводы о процессах роста и формирования туннельно-прозрачных диэлектриков. В докладе будет показана первостепенная важность влияния границ раздела в туннельных переходах металл-диэлектрик-металл и химических окислительно-восстановительных процессов во время их образования.  

А.Г. Мажуга (24.12.2015)

Наночастицы металлов и их оксидов в биомедицине

Поиск новых противоопухолевых препаратов является актуальной задачей современной медицины, биологии, химии. Множественная лекарственная устойчивость опухолей, общая токсичность, низкая селективность и специфичность  химиотерапевтических препаратов являются важными факторами препятствующим благополучному лечению онкологических заболеваний.   Использование наночастиц металлов в качестве платформ для доставки химиотерапевтических агентов позволяет преодолеть указанные проблемы.  В докладе будут рассмотрены примеры использование наночастиц металлов и их оксидов для терапии и диагностики онкологических заболеваний.