Transcript Nanočástice v polovodičích

Přednáška 6
Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy

Struktura a vlastnosti nanomateriálů
◦
◦
◦
◦

Nanočástice
Nanokrystalické materiály
Nanočástice v polovodičích
Self-assembly
Metody přípravy nanomateriálů
◦ Litografie

Stavební jednotky NM:
◦
◦
◦
◦
◦
◦
Rozměr
Tvar
Atomová struktura
Krystalinita
Mezifázové rozhraní
Chemické složení

Rozměry
◦ Molekuly – pevné částice < 100nm
◦ Vlastnosti určeny charakteristickými znaky




Částice
Klastry
Dutiny
1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

Závislost vlastností
◦ Vlastnosti nanočástic
◦ Uspořádání nanočástic
 Vznik vnitřních struktur

Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury
Přístupy:

Top – down
◦ Fotolitografie v
elektronice

Bottom – up
◦ Dispergované a
kondenzované
systémy
◦ Self-assembly

Nutná znalost atomární struktury
Vlastnosti se liší od běžných materiálů se stejným
chemickým složením

Faktory:

◦ Malá velikost krystalitů – 50% atomů v nekoherentní
hranici mezi krystaly
◦ Velikost a vliv dimenzionality
 Velikost krystalické fáze zmenšena na několik
interatomárních vzdáleností

Funkčnost NM
◦ Složení
◦ Velikost a tvar
◦ Nanostrukturní rozhraní

Základní dělení NM
◦ Nanokrystalické materiály
◦ Nanočástice

Podíl povrchových atomů
◦ Vliv na chemické a fyzikální vazby na hranicích zrn
◦ Vazba nanočástic se základní hmotou kompozitů

Velikost nanočástic
◦ Střední volná dráha elektronů
◦ Šířka hradlové vrstvy v polovodičích
Tvarové typy nanočástic




Koule (spheres)
Tyčinka/vlákna (rods)
Dráty (wires)
Více komplexní profily
Vznik nanočástic
◦ Nukleace
 Vznik klastrů, homogenní nukleace
◦ Koalescence
 Kolonie dlouhých klastrů
◦ Růst

Tvary nanostrukturních materiálů souvisí s
vlastnostmi

Kritická velikost zrn
◦ 10 – 20 nm
◦ Více než 50 % atomů na povrchu

Hranice zrn – deformace NM
Skupiny nanokrystalických materiálů
◦ Podle dimenzionality
◦
◦
◦
◦
Bezrozměrné atomové shluky
Jednorozměrné modulované vrstvy
Dvourozměrné jemnozrné vrstvy
Trojrozměrné nanostruktury
Nanokrystalické materiály

Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze

Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity
Nanokrystalické materiály

Dělení dle Gleitera
◦ 12 skupin
◦ První – tvar krystalitů
◦ Druhý – chemické složení
Nanokompozitní vrstvy



Tloušťka < 100 nm (obecně 10 nm a méně)
Souvislost s množstvím atomů na povrchu
krystalitů
Vysoce odlišné vlastnosti od polykrystalických
vrstev
Nanostrukturní vrstvy





Atomy hraničních oblastí rozhodují o uspořádání –
růstu vrstev
Vlastnosti závisí na rozměrech nanofázových oblastí
Dislokace zde neexistují – tvorba přerušena hranicemi,
posun podél hranic, žádné vady
Nanofázové kovy – pevnější
Nanokeramika – snadněji tvarovatelná
Nanočástice v polovodičích
Dělení podle dimenzionality

◦
Kvantové vrstvy


◦
2D systém
Třetí rozměr 1 - 3 nm
Kvantové drátky

◦
◦
1D systém
Kvantové tečky
Kvantové klastry

Zvláštní struktura
Nanočástice v polovodičích

Odlišné vlastnosti NČ
◦
◦
◦
◦
◦

Elektrické
Magnetické
Optické
Tepelné
Mechanické
Kvantově-mechanický fenomén
◦ Vodivostní kvantování
◦ Coulobovské blokování
◦ Kvantové jámy, dráty, tečky
Nanočástice v polovodičích

Elektronicko-optické přístroje a senzory
Tranzistory
Lasery s kvantovými tečkami – emisní tloušťka
čáry
Zvýšení citlivosti senzorů

Top-down/Bottom-up



Nanočástice v polovodičích – nanoklastry

Široké rozměrové spektrum
◦ Malé klastry: 1 – 3 nm
◦ Velké klastry: desítky nm



Často označovány jako „nanokrystaly“
Velikost a tvar, podmínky přípravy
Růst na substrátech nebo volně
Nanočástice v polovodičích – nanoklastry

2D/3D
Rozdílné vlastnosti (od volných atomů a molekul)
Dekaedrální struktury
Ikosaedrální struktury

Kvantové jevy



Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky







Polovodičové nanokrystaly
2 – 10 nm (10 - 50 atomů v průměru)
Jasně ohraničená oblast
Nahromadění elektronů
Pravidelné uspořádání
Fasety
Různé prvky, sloučeniny
◦ CdSe, CdS, ZnS
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky





Energie elektronu uvnitř KT je kvantována
„Umělý atom“
Speciální součástky – práce s jednotlivými
elektrony a fotony
Past na elektrony
Omezená kapacita
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky

Optická vlastnost zabarvování
◦
◦
◦
◦

Vázána na velikost
Velké – červené
Malé – modré
Souvislost s rozložením energetických hladin
Vše souvisí s velikostí
◦ Ladění vlnové délky emitovaného světla
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky



Laditelné lasery
Optické zesilovače
Detektory (InAs na GaAs)
Nanočástice v polovodičích – kvantové drátky






Průměr několik nm
Délka i µm
Nízký počet mechanických defektů
Nízký bod tání
Velký povrch proti objemu
Využití:
◦ Tranzistory, LED, senzory
Exotické struktury
Self-assembly


Samouspořádání struktur
Souvisí s:
◦
◦
◦
◦

Van der Waalsovými silami (přitažlivé)
Coulombickými silami (odpudivé)
Vodíkové můstky
Hydrofilní/hydrofobní interakce
Pokles volné energie
Self-assembly





Biologické struktury
Polymery
Slitiny
Samouspořádání při vzniku
Samoopravné materiály

Individuální přístup k různým materiálům

Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat

Technonologie často spojována se vznikem
polovodičových struktur
◦ P/N přechod
◦ Vytváření horizontálních struktur – litografie
◦ Vytváření vertikálních struktur - epitaxe



Hromadné chemicko-fyzikální zpracování
Hladký povrch
Substráty
◦ Si
◦ Sklo
◦ GaAs


Horizontálně členěné struktury
Členění:
◦
◦
◦
◦
◦
EUV/RTG litografie
Fotolitografie
Elektronová litografie
Iontová projekční litografie
Reaktivní iontové leptání


Složité tvarování určité části povrchu
Postup:
◦ Nanesení rezistu
 Citlivost na určitý podnět
 Ovlivní rozpustnost
◦ Ozáření v místech beze změny
 Přes masku/rastrování
◦ Nanesení vrstvy leptadla
 Pouze vertikální směr
◦ Vyleptání původního povrchu/nanesení další vrstvy
◦ Odstranění ozářeného rezistu

Limitující faktor
◦ Vlnová délka světla pro ozáření
◦ Viditelné světlo – do 100 nm
◦ UV/RTG/svazek vysokoenergetických elektronů

Uplatnění
◦
◦
◦
◦
ICT
Medicína (detekce poruch DNA)
Vojenský průmysl
Enviro technologie
EUV litografie

EUV – extreme ultraviolet
◦
◦
◦
◦
◦
Struktury pod 100nm
Vlnová délka 193 nm
Hrozí ionizace substrátu a narušení krystalové mřížky
Pronikavé vysokoenergetické záření
Vysoké nároky na použité materiály pro masku
EUV litografie


I EUV bude nedostačující
Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU
RTG litografie



Nová generace
< 40 nm
Limitující faktory
◦ Materiál a vzor masky

Podobné fotolitografii
RTG litografie

Maska
◦ Odolnost
◦ Absorbéry
◦ Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu
RTG litografie

Současné procesory
◦ Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie
◦ AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm
technologie
Fotolitografie (chemické leptání)






Příprava polovodičových materiálů
Studium Hallova jevu
Optoelektronika, senzory
Základní metoda
Vzor je „obtiskován“ do křemíku
Mateřský vzor vypálen laserem
Fotolitografie

2 procesy
◦ Záření
◦ Leptání přes masku

Odstraňovány pouze nepotřebné části
Fotolitografie

Obecný postup
◦
◦
◦
◦
◦
◦

Nanesení vrstvy SiO2 na vyleštěný Si
Nanesení fotocitlivé/rezistivní vrstvy na oxid křemičitý
Osvícení UV
Zpevnění ozářených míst
Horké plyny – odstranění neozářené citlivé vrstvy
Leptání do různých hloubek
Násobné opakování procesu
Fotolitografie

Následné vytvoření vodivých cest
◦ Pokrytí tenkou vrstvou kovu
◦ Následné fotolitografické odleptání nepotřebných
částí
◦ Skleněný izolant
Elektronová litografie




Vytváření a přesné polohování obrazců v
elektronovém rezistu
Rozměry pod 100 nm
Příprava masek pro fotolitografii a další
Bodový zápis difrakční mikrostruktury
skenujícím paprskem
Elektronová litografie




Návrh syntetických difrakčních struktur
Vysoká rozlišovací schopnost
Levnější duplikování (galvanoplastika +
mechanické)
Vysoká cena zařízení
Elektronová litografie

Vytváření hologramů
◦
◦
◦
◦

Difrakční optická struktura na vhodném podkladu
Velmi jemné vrypy (10 vrypů na 1 mikron)
Ve 2D velmi přesný zobrazení 3D modelu
Velké množství informací na malé ploše
Master se tvoří elektronovou litografií nebo
laserem
Elektronová litografie



Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla
Skryté prvky - bezpečnostní účely
Nelze kopírovat
Pro dnešek vše 