Введение

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 11.04.03 – Конструирование и технология электронных средств. Целью пособия является формирование у студентов общих представлений о физических основах нанотехнологий и методах, обеспечивающих возможность получения и исследования объектов нанометровых размеров, а также об использовании нанотехнологий в таких областях, как электроника, оптоэлектроника, энергетика и микросистемотехника.

Нанотехнологии принято рассматривать как развитие основных тенденций микротехнологий, а именно, как совокупность методов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать нанообъекты, в которых начинают проявляться квантово-размерные эффекты и резко возрастает влияние поверхности наночастиц, составляющих нанообъект, на его свойства. Для всех развитых и развивающихся стран нанотехнологии в настоящее время являются одним из приоритетных направлений науки и техники, которое призвано внести революционные изменения в различные отрасли промышленности, энергетики, медицины, строительства и сельского хозяйства. Это касается таких сфер производства, как получение новых материалов с уникальными механическими и теплофизическими свойствами, элементов наноэлектроники с рекордным быстродействием и низкой потребляемой мощностью, сенсоров с избирательной чувствительностью на уровне отдельных атомов и молекул, лазеров на квантово-размерных структурах с высокой эффективностью излучения и фотоприемников с характеристиками, многократно превышающими характеристики современных аналогов, а также многое-многое другое.

Исторически вопросами нанотехнологий стали активно заниматься с начала 60-х годов прошлого века. Интерес этот был, в основном, чисто научным без какой-либо серьезной финансовой поддержки со стороны государства. Ситуация резко изменилась на рубеже веков, когда правительство США в 2000 году одобрило т. н. «Национальную нанотехнологическую инициативу», которая явилась государственной инвестиционной программой по содействию развития нанотехнологий. Толчком послужила принятая двумя годами ранее аналогичная программа в Японии, которая получила высший государственный приоритет, причем финансовую поддержку программе оказало не только правительство, но и крупнейшие частные фирмы. Позже государственные программы по развитию нанотехнологий были приняты в ЕС и в Китае. С 2007 года в этот перечень стран вошла и Россия. Все это довольно быстро принесло свои практические результаты. Если в 2009 году мировой рынок товаров, созданных при помощи нанотехнологий, составлял 254 млрд. $, то в настоящее время эта цифра достигла величины около 1 трлн. $, а к 2020 году ожидается 3 трлн. $, причем потребность в специалистах в области нанотехнологий к этому времени должна составить 2 млн. человек.

С тех пор, как влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии «прорывом года», общественный интерес к ним резко вырос, а к нанотехнологиям стали часто употреблять выражение «новая промышленная революция». Практически ежегодно проводятся сотни конференций, посвящённых различным аспектам нанотехнологии. Опубликованы сотни тысяч статей и монографий, созданы специальные сайты в Интернете, регулярно появляются сообщения о новых идеях использования нанотехнологий или о новых видах продукции, полученных с использованием нанотехнологий. Оценить важность и достоверность такого огромного объема информации неподготовленному читателю довольно сложно. Автор надеется, что данное учебное пособие сможет разбудить в читателе интерес к теме нанотехнологий и поможет ему разобраться в новых идеях, с которыми ему еще только предстоит ознакомиться.

Учебное пособие, как уже отмечалось, предназначено для будущих конструкторов-технологов электронных средств. С учетом этого при отборе материала упор делался на технологические аспекты получения новых наноматериалов и конструктивные особенности устройств, полученных с использованием нанотехнологий. Например, вопросы, связанные с квантово-размерными эффектами в наноструктурах, изложены довольно кратко, а технология получения таких структур – более детально. Вопросы использования нанотехнологий также были осознано ограничены теми областями, в которых будущим специалистам возможно предстоит работать, т. е. электроникой, оптоэлектроникой, энергетикой и микросистемотехникой. Практически не рассматривались применения нанотехнологий в машиностроении, строительстве и сельском хозяйстве, а также медицине, хотя последнее направление является одним из приоритетных. Со всеми этими вопросами читатель может познакомиться в учебниках и учебных пособиях, указанных в списке литературы к учебному пособию. Понятно, что список этот далеко не полный. Желающие могут без проблем самостоятельно расширить его.