eng
Китайские ученые активно участвуют в развитии наноиндустрии. В данной статье описаны некоторые достижения в сферах, связанных с исследованиями наноструктур, получением наноматериалов и созданием наноприборов.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.104.106
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.104.106
На сегодняшний день более 50 университетов, 20 институтов Китайской академии наук (CAS), а также 300 компаний занимаются исследованиями и развитием нанотехнологий. В частности, центры исследований и разработок в сфере нанотехнологий открыты в Китайской академии наук, Университете Цинхуа, Пекинском университете, Наньцзинском университете, Восточно-Китайском университете науки и технологий.
Исследования наноструктур
Последние достижения в наноиндустрии и нанотехнологиях в значительной степени связаны с новой возможностью измерять и изменять структуры на наноуровне. Сканирующие зонды, оптические пинцеты, электронные микроскопы и другие доступные современным исследователям устройства и инструменты позволяют создавать новые структуры, регистрировать новые эффекты и исследовать передовые технологии.
Группа исследователей в Институте химии Китайской академии наук разработала собственные конструкции сканирующего туннельного микроскопа (STM), сканирующего атомно-силового микроскопа (AFM), микроскопа баллистической электронной эмиссии (BEEM – ballistic electron emission microscope), низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа (LT-STM), сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа (UHV-STM), ближнепольного оптического микроскопа (SNOM) и других приборов, которые интенсивно используются для исследования структур в нанодиапазоне [1]. В Пекинском университете разработаны и сконструированы система UHV-SEM-STM-EELS (UHV – сверхвысоковакуумный, SEM – сканирующий электронный микроскоп, STM – сканирующий туннельный микроскоп, EELS – спектроскопия характеристических потерь энергии электронами) и низкотемпературный ближнепольный оптический микроскоп (LT-SNOM). Также там создана система, сочетающая ближнепольную спектроскопию и классические оптические методы, что позволило исследовать структуру раковых клеток.
Институт химии и Лаборатория вакуумной физики Китайской академии наук еще в начале 1990-х годов начали исследовать с помощью сканирующих туннельных микроскопов поверхностные литографические процессы в нанодиапазоне и даже в атомном диапазоне [1, 2]. Например, они создали надпись "CAS" и изображение карты Китая с записанным иероглифами названием страны (см. рисунок). Эти достижения способствовали популяризации исследований в сфере нанотехнологий.
В конце 1990-х годов группа ученых из Института химии Китайской академии наук достигла хороших результатов в самосборке органических молекул [3]. Группа ученых из Университета наук и технологий Китая исследовала молекулу фуллерена C60 с помощью сканирующего туннельного микроскопа при сохранении позиционного и ориентационного порядков [4].
Получение наноматериалов
В сфере синтеза наночастиц интересно достижение Института физики твердого тела Китайской академии наук, который получил нанооксид на основе кремния SiO2-x с удельной поверхностью 640 м2/г и в сотрудничестве с частными компаниями организовал производство мощностью 100 тонн. Восточно-Китайский университет науки и технологий создает производство CaCO3 мощностью 150 тыс. тонн в год, в основе которого была пилотная производственная линия мощностью 3 тыс. тонн. Пекинский университет достиг хороших результатов в получении нанопорошка никеля и совместно с крупнейшим китайским производителем элементов питания изучает возможности применения данного материала [5]. Разработки Университета Тяньцзинь сделали Китай второй страной, где промышленным путем был изготовлен металлический нанопорошок. Университет химической инженерии Циндао накопил богатый опыт исследования и разработки медного катализатора.
В настоящее время в Китае эксплуатируются более 20 линий мощностью не менее нескольких тонн по производству нанопорошков. В их число входят нанооксиды (ZnO, TiO2, SiO2, ZrO, MgO, Co2O3, NiO, Cr2O3, MnO2, Fe2O3, и т.д.), нанометаллы и наносплавы (Ag, Pd, Cu, Fe, Co, Ni, Ti, Al, Ta, Ag-Cu, Ag-Sn, In-Sn, Ni-Al, Ni-Fe, Ni-Co и т.д.), нанокарбонаты (W2C3, SiC, TiC, ZrC, NbC, B4C3, и т.д.), нанонитронаты (Si3N4, AlN, Ti3N4, BN, и т.д.).
В области синтеза полупроводниковых материалов, ученые в Университете науки и технологий Китая разработали способ гидротермального синтеза кристаллов нитрида галлия [6]. В частности, при температуре 300°C был получен кристалл нитрида галлия размером 30 нм. Группа исследователей также создала экономически эффективный метод каталитического пиролиза алмазного порошка [7]. Посредством реакции, локализованной в нанотрубке, группа исследователей из Университета Цинхуа создала "одномерную" нанопроволоку нитрида галлия, которая имеет диаметр от 4 до 50 нм и длину до 25 мм [8]. Также возможен синтез других нитридных нанопроволок посредством схожих реакций, локализованных в нанотрубке.
Группа ученых из Института исследования металлов Китайской академии наук методом электроосаждения синтезировала нанокристаллы меди высокой чистоты и плотности [9]. Удлинение выше 5 000% без возникновения напряжений наблюдалось, когда образец медного нанокристалла деформировали при комнатной температуре. Этот эффект демонстрирует новые возможности для научных и технологических достижений в сфере нанокристаллических материалов.
Производство наноустройств
Несколько групп в Китае изучали туннилирование электрона, в том числе одноатомных соединений, эффект блокады Кулона при комнатной температуре с использованием сверхвысоковакуумного микроскопа и высокоэффективных оптоэлектрических детекторов. Университет Цинхуа создал устройства MOS-типа размером 100 нм, а также ряд интегрированных сенсоров, микродвигателей и микронасосов на кремниевой базе [10]. Также разработаны новые устройства и микросистемы с использованием 3D-литографии. Институт полупроводников Китайской академии наук разработал сенсоры, основанные на поглощении инфракрасных квантовых точек, а также полупроводниковый лазер на квантовых точках [11]. Прототип полевого эмиссионного дисплея (field emission display) на основе нанотрубок был создан в Университете транспорта г. Сянь. Он уже прошел испытания длительностью 3,8 тыс. ч.
В сотрудничестве с Пекинским университетом Китайская академия наук исследовала устройства хранения информации со сверхвысокой плотностью записи на основе органических материалов. Диаметр элементов полученной тонкой органической пленки NBPDA составил 1,3 нм в 1997 году, 0,7 нм в 1998 году, и, наконец, 0,6 нм в 2000 году [12]. Эти результаты были на порядок лучше, чем достигнутые учеными из других стран. Научные группы из Пекинского университета применили бинарный композитный материал TEA / TCNQ в качестве материала для хранения данных и получили элементы диаметром 8 нм. Университет Фудань создал высокоскоростное запоминающее устройство, используя бистабильные тонкие пленки, и синтезировал несколько запатентованных органических мономеров в качестве материалов для интегральных схем.
***
В заключение можно отметить, что правительство Китая уделяет большое внимание развитию нанотехнологий. Однако нередко финансирование оказывается недостаточным, поэтому ожидается, что в будущем инвестиции будут расти. Уже создан Национальный руководящий комитет по нанотехнологиям, в который входят специалисты из Министерства наук и технологий, Государственной комиссии по развитию и планированию, Министерства образования, Китайской академии наук, Инженерной академии Китая, Национального фонда естественных наук Китая и других организаций.
Литература
1.Bai C.L. Scanning tunneling microscopy and its applications. – Springer Verlag, Second Edn., Heidelberg, 2000. Р. 73–109.
2.Wang C., Bai C.L. Evidence of diffusion characteristics of field emission electrons in nanostructuring process on graphite surface. – Applied Physics Letters, 1997. Р. 348–350.
3.Qiu X., Wang C., Zeng Q.D., Xu B., Yin S.X., Wang H.N., Xu S.D., Bai C.L., Chem J.Am. Growth of WS2 Nanotubes Phases. – Soc, 2000. Vol. 122. Р. 5550–5556.
4.Hou J.G., Yang J.L., Wang H.Q., Li Q.X., Zeng C.G., Yuan L.F., Wang B., Chen D.M., Zhu Q.S. Topology of two dimensional C[sub60] domains. – Nature, 2001. Vol. 409. Р. 304–394.
5.Center for Nanochemistry, Peking University. [Электронный ресурс] URL: http://www.chem.pku.edu.cn/cnc/cn/xjcg/zl/index.shtml.
6.Xie Y., Qian Y.T., Wang W.Z., Zhang S.Y., Zhang Y.H. Large-scale synthesis of single-phase, high-quality GaN nanocrystallites. – Science, 1996. Vol. 272. Р. 1926.
7.Li Y.D., Qian Y.T., Liao H.W., Ding Y., Yang L., Xu C.Y., Li F.Q., Zhou G. A reduction-pyrolysis-catalysis synthesis of diamond. – Science, 1998. Vol. 281. Р. 246–247.
8.Han W., Fan S., Li Q., Hu Y. Use of id semiconductor materials as chemical sensing materials, produced and operated close to room temperature. – Science, 1997. Vol. 277. Р. 1287–1289.
9.Lu L., Sui M.L., Lu K. Anomalous Fatigue Behavior and Fatigue-Induced Grain Growth in Nanocrystalline Nickel Alloys. – Science, 2000. Vol. 287. Р. 1463–1465.
10.Institute of Microelectronics of Tsinghua University. [Электронный ресурс] URL: http://dns.ime.tsinghua.edu.cn/yjkf/kycg.htm.
11.Pan D., Zeng Y.P., Kong M.Y., Wu J., Zhu Y.Q., Zhang C.H., Li J.M., Wang C.Y. Differential matched filter architecture for spread spectrum communication systems. – Electronics Letters 1996. Vol. 32. Р. 1726–1728.
12.National Center for Nanoscience and Technology. [Электронный ресурс] URL: http://www.nanoctr.cas.cn/kycg/cgjs/.
Исследования наноструктур
Последние достижения в наноиндустрии и нанотехнологиях в значительной степени связаны с новой возможностью измерять и изменять структуры на наноуровне. Сканирующие зонды, оптические пинцеты, электронные микроскопы и другие доступные современным исследователям устройства и инструменты позволяют создавать новые структуры, регистрировать новые эффекты и исследовать передовые технологии.
Группа исследователей в Институте химии Китайской академии наук разработала собственные конструкции сканирующего туннельного микроскопа (STM), сканирующего атомно-силового микроскопа (AFM), микроскопа баллистической электронной эмиссии (BEEM – ballistic electron emission microscope), низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа (LT-STM), сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа (UHV-STM), ближнепольного оптического микроскопа (SNOM) и других приборов, которые интенсивно используются для исследования структур в нанодиапазоне [1]. В Пекинском университете разработаны и сконструированы система UHV-SEM-STM-EELS (UHV – сверхвысоковакуумный, SEM – сканирующий электронный микроскоп, STM – сканирующий туннельный микроскоп, EELS – спектроскопия характеристических потерь энергии электронами) и низкотемпературный ближнепольный оптический микроскоп (LT-SNOM). Также там создана система, сочетающая ближнепольную спектроскопию и классические оптические методы, что позволило исследовать структуру раковых клеток.
Институт химии и Лаборатория вакуумной физики Китайской академии наук еще в начале 1990-х годов начали исследовать с помощью сканирующих туннельных микроскопов поверхностные литографические процессы в нанодиапазоне и даже в атомном диапазоне [1, 2]. Например, они создали надпись "CAS" и изображение карты Китая с записанным иероглифами названием страны (см. рисунок). Эти достижения способствовали популяризации исследований в сфере нанотехнологий.
В конце 1990-х годов группа ученых из Института химии Китайской академии наук достигла хороших результатов в самосборке органических молекул [3]. Группа ученых из Университета наук и технологий Китая исследовала молекулу фуллерена C60 с помощью сканирующего туннельного микроскопа при сохранении позиционного и ориентационного порядков [4].
Получение наноматериалов
В сфере синтеза наночастиц интересно достижение Института физики твердого тела Китайской академии наук, который получил нанооксид на основе кремния SiO2-x с удельной поверхностью 640 м2/г и в сотрудничестве с частными компаниями организовал производство мощностью 100 тонн. Восточно-Китайский университет науки и технологий создает производство CaCO3 мощностью 150 тыс. тонн в год, в основе которого была пилотная производственная линия мощностью 3 тыс. тонн. Пекинский университет достиг хороших результатов в получении нанопорошка никеля и совместно с крупнейшим китайским производителем элементов питания изучает возможности применения данного материала [5]. Разработки Университета Тяньцзинь сделали Китай второй страной, где промышленным путем был изготовлен металлический нанопорошок. Университет химической инженерии Циндао накопил богатый опыт исследования и разработки медного катализатора.
В настоящее время в Китае эксплуатируются более 20 линий мощностью не менее нескольких тонн по производству нанопорошков. В их число входят нанооксиды (ZnO, TiO2, SiO2, ZrO, MgO, Co2O3, NiO, Cr2O3, MnO2, Fe2O3, и т.д.), нанометаллы и наносплавы (Ag, Pd, Cu, Fe, Co, Ni, Ti, Al, Ta, Ag-Cu, Ag-Sn, In-Sn, Ni-Al, Ni-Fe, Ni-Co и т.д.), нанокарбонаты (W2C3, SiC, TiC, ZrC, NbC, B4C3, и т.д.), нанонитронаты (Si3N4, AlN, Ti3N4, BN, и т.д.).
В области синтеза полупроводниковых материалов, ученые в Университете науки и технологий Китая разработали способ гидротермального синтеза кристаллов нитрида галлия [6]. В частности, при температуре 300°C был получен кристалл нитрида галлия размером 30 нм. Группа исследователей также создала экономически эффективный метод каталитического пиролиза алмазного порошка [7]. Посредством реакции, локализованной в нанотрубке, группа исследователей из Университета Цинхуа создала "одномерную" нанопроволоку нитрида галлия, которая имеет диаметр от 4 до 50 нм и длину до 25 мм [8]. Также возможен синтез других нитридных нанопроволок посредством схожих реакций, локализованных в нанотрубке.
Группа ученых из Института исследования металлов Китайской академии наук методом электроосаждения синтезировала нанокристаллы меди высокой чистоты и плотности [9]. Удлинение выше 5 000% без возникновения напряжений наблюдалось, когда образец медного нанокристалла деформировали при комнатной температуре. Этот эффект демонстрирует новые возможности для научных и технологических достижений в сфере нанокристаллических материалов.
Производство наноустройств
Несколько групп в Китае изучали туннилирование электрона, в том числе одноатомных соединений, эффект блокады Кулона при комнатной температуре с использованием сверхвысоковакуумного микроскопа и высокоэффективных оптоэлектрических детекторов. Университет Цинхуа создал устройства MOS-типа размером 100 нм, а также ряд интегрированных сенсоров, микродвигателей и микронасосов на кремниевой базе [10]. Также разработаны новые устройства и микросистемы с использованием 3D-литографии. Институт полупроводников Китайской академии наук разработал сенсоры, основанные на поглощении инфракрасных квантовых точек, а также полупроводниковый лазер на квантовых точках [11]. Прототип полевого эмиссионного дисплея (field emission display) на основе нанотрубок был создан в Университете транспорта г. Сянь. Он уже прошел испытания длительностью 3,8 тыс. ч.
В сотрудничестве с Пекинским университетом Китайская академия наук исследовала устройства хранения информации со сверхвысокой плотностью записи на основе органических материалов. Диаметр элементов полученной тонкой органической пленки NBPDA составил 1,3 нм в 1997 году, 0,7 нм в 1998 году, и, наконец, 0,6 нм в 2000 году [12]. Эти результаты были на порядок лучше, чем достигнутые учеными из других стран. Научные группы из Пекинского университета применили бинарный композитный материал TEA / TCNQ в качестве материала для хранения данных и получили элементы диаметром 8 нм. Университет Фудань создал высокоскоростное запоминающее устройство, используя бистабильные тонкие пленки, и синтезировал несколько запатентованных органических мономеров в качестве материалов для интегральных схем.
***
В заключение можно отметить, что правительство Китая уделяет большое внимание развитию нанотехнологий. Однако нередко финансирование оказывается недостаточным, поэтому ожидается, что в будущем инвестиции будут расти. Уже создан Национальный руководящий комитет по нанотехнологиям, в который входят специалисты из Министерства наук и технологий, Государственной комиссии по развитию и планированию, Министерства образования, Китайской академии наук, Инженерной академии Китая, Национального фонда естественных наук Китая и других организаций.
Литература
1.Bai C.L. Scanning tunneling microscopy and its applications. – Springer Verlag, Second Edn., Heidelberg, 2000. Р. 73–109.
2.Wang C., Bai C.L. Evidence of diffusion characteristics of field emission electrons in nanostructuring process on graphite surface. – Applied Physics Letters, 1997. Р. 348–350.
3.Qiu X., Wang C., Zeng Q.D., Xu B., Yin S.X., Wang H.N., Xu S.D., Bai C.L., Chem J.Am. Growth of WS2 Nanotubes Phases. – Soc, 2000. Vol. 122. Р. 5550–5556.
4.Hou J.G., Yang J.L., Wang H.Q., Li Q.X., Zeng C.G., Yuan L.F., Wang B., Chen D.M., Zhu Q.S. Topology of two dimensional C[sub60] domains. – Nature, 2001. Vol. 409. Р. 304–394.
5.Center for Nanochemistry, Peking University. [Электронный ресурс] URL: http://www.chem.pku.edu.cn/cnc/cn/xjcg/zl/index.shtml.
6.Xie Y., Qian Y.T., Wang W.Z., Zhang S.Y., Zhang Y.H. Large-scale synthesis of single-phase, high-quality GaN nanocrystallites. – Science, 1996. Vol. 272. Р. 1926.
7.Li Y.D., Qian Y.T., Liao H.W., Ding Y., Yang L., Xu C.Y., Li F.Q., Zhou G. A reduction-pyrolysis-catalysis synthesis of diamond. – Science, 1998. Vol. 281. Р. 246–247.
8.Han W., Fan S., Li Q., Hu Y. Use of id semiconductor materials as chemical sensing materials, produced and operated close to room temperature. – Science, 1997. Vol. 277. Р. 1287–1289.
9.Lu L., Sui M.L., Lu K. Anomalous Fatigue Behavior and Fatigue-Induced Grain Growth in Nanocrystalline Nickel Alloys. – Science, 2000. Vol. 287. Р. 1463–1465.
10.Institute of Microelectronics of Tsinghua University. [Электронный ресурс] URL: http://dns.ime.tsinghua.edu.cn/yjkf/kycg.htm.
11.Pan D., Zeng Y.P., Kong M.Y., Wu J., Zhu Y.Q., Zhang C.H., Li J.M., Wang C.Y. Differential matched filter architecture for spread spectrum communication systems. – Electronics Letters 1996. Vol. 32. Р. 1726–1728.
12.National Center for Nanoscience and Technology. [Электронный ресурс] URL: http://www.nanoctr.cas.cn/kycg/cgjs/.
Отзывы читателей
