Основные признаки перспективных технологий XXI века.

1. Высокая эффективность использования энергии.

2. Максимальное использование исходного сырья.

3. Е _ИСХ. и М _ИСХ. min в единице товарной продукции.

4. Выпуск продукта с высокой энергетической эффективностью

(отношение работы за цикл к массе), КПД (коэффициент

полезного действия) и способностью к повторяемому

восстановлению.

5. Простота и максимальная полная утилизация продукта после

использования.

I. Энергетика [2].

Приходится на Землю от Солнца Производит все человечество

Происходит увеличение числа

экологических катастроф.

КПД » 70 % КПД » 10 - 50 %

II. Ресурсосбережение.

а )

Е - мышц животных Е - индуктивных двигателей.

Е - энергоемкость - отношение работы за цикл к массе двигателя/

б) Коррозия и износостойкость. 10 % в год металла теряется в результате коррозии. Остро стоит проблема утилизация продуктов жизнедеятельности человека. В природе же наблюдается 100 % -ный круговорот веществ.

Рис. 1. Эффективность современных технологий в сравнении

с природными нетехногенными технологиями.

Стоимость 1 кг товарной продукции машиностроение, $ - 10 - 40 химическое производство, $ - 10 - 50 микроэлектроника, $ - 200 - 300

Вывод: Микроэлектроника - отрасль, в которой резко снижается стоимость сырья и растет стоимость технологии (максимальное ресурсосбережение).

М атериалоемкость min Воздействие на производственную деятельность и быт человека max

Информационные технологии, высокие технологии, технологии двойного назначения.

Рис.2. Ресурсосбережение по отраслям промышленности

Пути решения задачи, новые технологии

Рис. 4. Экономические предпосылки и положение России

в сравнении с другими странами.

Рис. 3. Основополагающая роль технологий микроэлектроники в создании комплекса

энерго-, ресурсо- и природосберегающих экологически чистых ионно-плазменных технологий.

2. Теоретические аспекты плазменно - поверхностной инженерии

Как известно, любое изделие имеет поверхность. Через нее, во многих случаях, происходит деградация параметров изделия (коррозия, абразивный износ, снижение механических и электрофизических характеристик).

Поверхность - это граница раздела двух сред, толщина которой определяется изменением свойств материала по глубине, и как правило не превышает 1000-2000 ангстрем. То есть саму поверхность можно представить как фрактальный материал. Если мы нанесем на какую-то поверхность сплошной безпористый слой толщиной более 1 мкм, это означает не модификацию или инженерию поверхности, а создание нового массивного материала, для которого исходная поверхность является подложкой.

Модификация или инженерия поверхности твердого тела наиболее успешно должна осуществляться на основе фрактальных многослойных структур. То есть наиболее перспективным являются нанесение или формирование в объеме твердого тела пленочных структур в диапазоне толщин от 10 до 1000 ангстрем.

Развивая эти идеи на природу поверхности, можно сказать, что поверхностные слои кристаллов отражают информацию об электронном строении твердого тела.

Таким образом, естественно возникает вопрос о зависимости твердости, механической прочности и электрофизических характеристик твердого тела от энергии кристаллической решетки, которая однозначно связана с поверхностной энергией. Этот вопрос привлек внимание многих ученых ввиду его теоретической и практической важности.

Важнейшей характеристикой поверхности является поверхностная энергия

_{(Еhkl ). Удельная поверхностная энергия Еhkl, определяемая принципом Гиббса-Кюри и закона Вульфа для равновесной формы твердого тела, равна:}

_{Еhkl =shkl - T(dshkl / dT)P}

Важно показать, что изменение (Е) связано с механическими характеристиками (Н - твердость) достаточно однозначно (рис.5).

Рис. 5. Симбатность между микротвердостью (Н)

и удельной поверхностной энергией полупроводников (Е₁₁₁) [6].

Видно, что изменяя величину Е можно изменять Н в несколько раз. Особенно это наглядно проявляется в алмазе. Е₁₀₀ =9304 эрг/см²; Н₁₀₀ @ 10000 кг/мм²; Е₁₁₁ =5378 эрг/см²; Н₁₁₁ =5000 кт/мм².

Взаимосвязь между поверхностной энергией (Е_hkl) и формой и величиной периодического потенциала, определяющего электрофизические свойства твердого тела, показал Б.Ф.Ормонт [5].

Интересна зависимость свойств пленочных материалов от толщины.

1. Увеличивается пробивная напряженность электрического поля и электрическая долговечность с уменьшением их толщины. Так в (8-9) показано, что пленки Al₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅ и др. имеют Е_пр=6 × 10⁸ в/м, при толщине материала Di=0,1-0,8 мкм. По электрической прочности такие пленки превосходят массивные материалы в 10 - 100 раз.

2. Увеличивается механическая долговечность металлических и диэлектрических пленок по мере уменьшения их толщины [4-5].

Можно сказать, что наука о поверхности твердого тела стремительно развивается, накапливаются новые знания и не исключено, что поверхность будет рассматриваться как самостоятельный фрактальный материал [10]. Это позволит создать научно-техническую базу объемных, двухмерных и одномерных структур, обладающих уникальными свойствами. В природе такие структуры уже существуют, например:

алмаз - трехмерен; графит -двухмерная структура; карбин - одномерная структура.

Все три материала имеют одинаковый химический состав, такая существенная разница в свойствах определяется только структурой.