Отличие наноструктур и наноструктурированных материалов от традиционных материалов связано, прежде всего, с различными размерными эффектами, возникающими на наночастацах или на других наноструктурах, размеры которых соизмеримы или меньше характерных физических явлений. например длины свободного пробега электронов дебройлевской длины волны размера магнитного домена в ферромагнетиках и др. [2].
При описании этих эффектов используются принципы квантовой механики вместо положений классической ньютоновской механики и такие понятия, как квантовые точки (атомные кластеры), одномерные структуры (цепочки атомов), двумерные структуры (тонкие пленки), а также трехмерные объемные сверхрешетки.
Как уже было отмечено, энергетические характеристики поверхности лучше, чем энергетические характеристики в объеме материала, и при этом поверхность стабильно сохраняет свои свойства [3] (под терминами объемный, массивный, монолитный материал понимается основной материал твердого тела, отличающийся по свойствам от поверхностного слоя). Точно определить границу раздела поверхности и объема сложно, поэтому принято считать, что поверхностные свойства твердого тела проявляются до глубины - 100 нм. Известно, что тонкие пленки имеют сильную зависимость свойств от толщины в диапазоне 0,5...100 нм [4]. Таким образом, поверхность можно рассматривать как некий физический объект, свойства которого определяются совокупностью физических явлений трехмерного объема, двумерной поверхности, а в некоторых случаях и одномерной составляющей.
Механические и другие характеристики поверхности зависят от удельной свободной поверхностной энергии, определяемой уравнением Гиббса-Гельмгольца.
В трехмерной структуре внутренняя энергия может увеличиваться только благодаря увеличению энергии связи и числа этих связей, состава и структуры материала. В этом случае с увеличением твердости материала увеличивается его хрупкость. У поверхности при увеличении внутренней энергии и повышении твердости за счет роста энтропии может увеличиваться пластичность, что также получило экспериментальное подтверждение.
Таким образом, механически свойства нано-структурированных материалов могут меняться в широких пределах в результате изменения соотношения объема к поверхности, т.е. в связи с изменением формы и структуры наночастиц, а также за счет изменения структуры и свойств границ раздела. Данное утверждение подтверждается зависимостью механических, электрических и других свойств пленочных материалов от толщины. Например, с уменьшением толщины пленки увеличивается пробивная напряженность электрического поля, по электрической прочности такие пленки могут превосходить массивные материалы в 10...100 раз.
Минимально возможные размеры устойчивых частиц, для которых влияние поверхностной составляющей на свойства максимально, лежат в пределах 1...2 нм с содержанием в них атомов 102...103 Такой диапазон устойчивости связан с тем, что каждая частица внутри твердого тела имеет координацию связей, отличную от таковой у частицы на поверхности, так как. имеет меньшее число соседних частиц и связей, обладает некоторой лишней поверхностной энергией и возможностью непосредственного обмена или взаимодействия с внешней средой.
У наноструктурированного материала с уменьшением размеров частиц наблюдается рост теплоемкости, а следовательно, возрастает внутренняя энергия и энтропия системы. Это означает, что у поверхности при увеличении внутренней энергии и повышении твердости может увеличиваться пластичность вследствие роста энтропийного фактора. Механические и другие свойства наноструктурированного материала могут меняться в результате изменения соотношения объема к поверхности.
Изменение соотношения объема к поверхности происходит как за счет изменения формы и структуры наночастиц, так и за счет изменения структуры и свойств границы раздела. Так при возникновении электрического потенциала на границе раздела двух сред в результате возникновения двойного электрического слоя, повышается внутренняя энергия наноструктурированного материала.
Структурные изменения на поверхности влекут за собой изменение величины поверхностной энергии, поэтому развитие и модификация поверхности ведет к улучшению механических характеристик материала. Примером такой модификации может служить легирование поверхности твердого тела, приводящее к изменению структуры и состава поверхности.
Зависимость электрофизических и механических свойств твердого тела от величины внутренней энергии позволяет сделать следующие выводы:
1. Изменение структуры поверхности позволяет менять ее энергию, а значит, механические и электрофизические свойства материала, диапазон изменения которых существенно увеличивается по сравнению с объемным материалом при нанесении на поверхность тонкой пленки.
2. Изменение толщины пленки позволяет существенно менять величину поверхностной энергии, а значит, менять свойства поверхности.
Таким образом, имеется реальная технологическая возможность изменять свойства материала, придавая ему характеристики, недостижимые для объемных материалов. Увеличение внутренней энергии для повышения механических свойств поверхности решается:
А) увеличением внутренней энергии в результате деформации связи и создания точечных дефектов легированием методами имплантации или диффузии,
Б) нананесением тонкопленочного покрытия из материала, имеющего более высокую внутреннюю энергию.
