Nanofysiikan

Nanofysiikka on fysiikan ala, joka tutkii ilmiöitä ja rakenteita noin nanometrin mittakaavassa (1–100 nm). Tällöin materiaalien ominaisuudet voivat poiketa merkittävästi suuremman mittakaavan käyttäytymisestä johtuen suuresta pinta-ala–tilavuussuhteesta, kvanttivaikutuksista ja pinnan roolista. Nanofysiikka yhdistää perusfysiikan ilmiöitä teknisiin sovelluksiin.

Keskeisiä teemoja ovat kvantti-ilmiöt rajoitetuissa tiloissa, elektronien liikkuvuuden ja energiatasojen muutos nanorakenteissa sekä nanopartikkelien, nanoviipaleiden ja nanokanavien optiset ja sähköiset ominaisuudet. Nanofysiikka tarkastelee myös pintojen merkitystä ja koostumusten nanorakenteiden kontrollointia sekä nanoskaalan dynaamista käyttäytymistä.

Tutkimuksessa käytetään monia teknisiä menetelmiä, kuten skannauspintamikroskopiaa (AFM) ja skannaus-tunneli-mikroskopiaa (STM), elektronimikroskopiaa (TEM ja SEM) sekä erilaisia spektroskopian tekniikoita ja plasmoniikkaan perustuvia mittauksia. Näillä välineillä voidaan sekä kuvan käyttää ja hahmottaa nanorakenteiden elektronista ja optista käyttäytymistä että ohjata niiden valmistusta.

Sovelluksia ovat elektroniikka ja tietotekniikka, nanokomponenttien kehittäminen, energiatehokkaat materiaalit sekä sensorit ja biolääketieteelliset sovellukset kuten biosensorit. Nanofysiikan tutkimus edistää sekä perus ymmärrystä että teknologisia ratkaisuja, joihin liittyy pienikokoiset ja tehokkaat nanokokoluokan laitteet.

Käytännön haasteita ovat valmistusmenetelmien skaalautuvuus, mittausten herkkyys, lämpötilan ja ympäristön vaikutukset sekä tulkinnan monimutkaisuus. Nanofysiikka kehittyi 1980-luvulla nanoteknologian ja kvanttinen mekaniikan myötä; alaa tutkivat sekä fysiikan että kemian, materiaalitieteen ja elektroniikan yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa.