1.4.2.Отношения величина - свойства

Ранее говорилось о том, что в нанострукту­рах обнаруживается прямая связь между размерами структур­ных элементов и соответствующими физическими свойствами, в связи с чем особое значение приобретают возможности и грани­цы миниатюризации и изменения масштаба вообще. Существую­щий опыт миниатюризации в микроэлектронике при сохранении принципов функционирования компонентов доказывает, что возможности существенного уменьшения масштабов очень вели­ки, так как проектировщикам и производственникам удавалось уже в течение десятилетий уменьшать размеры элементов, со­храняя известные базовые принципы функционирования.

Для пояснения общей идеи рассмотрим, например, механизм действия распространенного струнного инструмента (гитары), в которой звук создается колебанием струн, причем высота звука (при заданном материале и заданном натяжении струны) при этом обратно пропорциональна длине струны и соответствует частоте поперечных колебаний струны (так что «среднее Си» соответству­ет частоте в 256 Гц). Современная техника уже позволяет умень­шить размеры гитары до микрометров или субмикрометров, используя, например, методы выращивания кремниевых микро­структур, и на рис. 4.3 приведена фотография микроскопического музыкального инструмента, изготовленного по такой методике. Это устройство действует на основе законов классической механи­ки, так что основная частота звука гитары будет следовать просто­му закону масштабирования (техническая сторона вопроса не должна нас волновать, так как колебания струн миниатюрной ги­тары можно вызывать не механическим, а например электричес­ким воздействием), в результате чего должны возникать механи­ческие вибрации с частотой порядка гигагерц (10⁹ Гц). Такие виб­раторы, соответствующие тактовой частоте современных компью­теров (сантиметровые электромагнитные волны), уже существуют и используются, но, разумеется, их действие не имеет отношения к звуковым волнам или музыке. Нижняя граница частот для этих устройств задается частотами собственных колебаний некоторых двухатомных молекул (например, СО), соответствующих области от 10 до 100 терагерц (10¹³ — 10¹⁴ Гц).

Сегодня технически существует возможность создавать или производить так называемые «квантовые точки» (например, из смешанного полупроводника CdSe) с невероятно узким распределением размеров от 4 до 5 нм, которые при облучении ультра­фиолетовым светом начинают высвечивать, причем частота флуоресценции очень сильно зависит от размера частиц. Кван­товые точки зачастую называют «искусственными атомами» по причине их минимальной протяженности, однако они реально могут включать в себя до 50 ООО атомов, так что для их описа­ния могут быть привлечены концепции классической физики твердого тела. Многие свойства наночастиц (например, симмет­рия атомного упорядочения или нарушения в энергетической зоне), естественно, вообще не могут быть четко определены или даже соотнесены с характеристиками объемных образцов мате­риала, однако освобождающиеся при ультрафиолетовом облуче­нии носители заряда, образно говоря, как-то «чувствуют», что свобода их перемещения внутри наночастиц ограничена. В соот­ветствии с законами квантовой физики, их энергия должна воз­растать обратно пропорционально квадрату размера частицы, а поскольку энергия носителей заряда определяется частотой ис­пускаемого света, она может точно регулироваться диаметром квантовой точки, что приводит нас к идее регулирования излу­чения простым изменением размера частиц. Этот эффект на­глядно демонстрирует, что хотя в некоторых случаях поведение наноструктур формально можно описывать простым изменени­ем масштабов, но при этом нельзя забывать об огромной роли квантовых явлений, которыми мы обычно полностью пренебре­гаем при описании макроскопических структур.

Довольно значительная область применимости масштабных отношений (скейлинга) объясняется постоянством макроскопи-