Přednáška

11 Shrnutí

    Nanoměřítko: 1.10

-9 m Nanostruktury: alespoň 1 rozměr < 100 nm Nanomateriály: základní strukturní jednotkou jsou nanostruktury ◦ Virus: 100 – 1 nm ◦ 1 nm – 3-4 atomy Nanotechnologie      Aplikace znalostí nanovědy při vytváření materiálů, struktur a zařízení.

Schopnost práce na molekulární a atomové úrovni.

Výzkum látek s částicemi pod hranicí 100 nm.

Struktury materiálů na úrovni nanorozměrů.

„Výpočetní“ nanotechnologie

  2 přístupy: ◦ ◦ Top-down Bottom-up Nanomateriály (nanostrukturní materiály, nanočástice)   Stavební jednotka – nanočástice s definovanými vlastnostmi Stavební jednotky uspořádané do makroskopických multiklastrových materiálů – vhodnější pro technické aplikace

Nanotechnologie v přírodě   Nanotechnologie nejsou „lidským výmyslem“ Příroda využívá nanotechnologie od svého vzniku:     Každá chemická reakce DNA Proteiny Koloidní roztoky

      Optická mikroskopie Elektronová mikroskopie ◦ ◦ SEM TEM Mikroskop atomárních sil (AFM) Skenovací tunelový mikroskop (STM) Skenovací sondový mikroskop (SPM) Chemický silový mikroskop (CFM)

      Světelný (optický) mikroskop Paralelní zařízení ◦ Zvětšený obraz ◦ Rozeznávání detailů Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček ◦ Objektiv ◦ Okulár Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x ◦ ◦ Konstrukce ◦ Objektiv Okulár Tubus

  Mnohem větší rozlišovací schopnost ◦ U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou ◦ Elektronová mikroskopie – často < 1 Å ◦ ◦ ◦ Základní parametry ◦ Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů Funkčně podobný světelnému mikroskopu Použití svazku urychlených elektronů Použití elektromagnetických čoček ◦ ◦      Nevýhody Vysoká pořizovací cena Výhody Velmi velké zvětšení (řádově 1.10

6 Vysoké rozlišení (0,1 nm) x) Velká hloubka ostrosti Nejen topografie, ale i materiálové složení

    ◦ ◦ Transmisní (prozařovací, TEM) ◦ Svazek elektronů prochází vzorkem ◦ Průchod elektronů najednou Fluorescenční stínítko Ultratenké řezy (50 nm) Skenovací (rastrovací, SEM, REM) ◦ Povrchy „tlustých“ vzorků ◦ Skenování (rastrování) povrchu po řádcích Rastrovací-transmisní ◦ Kombinace obou předchozích Environmentální rastrovací ◦ Nižší vakuum

       ◦ ◦ Neoptické mikroskopie SPM AFM STM Zobrazení povrchu Nutné kalibrace Pohyb sondy v těsné blízkosti povrchu (několik nm) ◦ Velmi jemný pohyb sondy pomocí piezokrystalu Prodloužení či smrštění v závislosti na napětí Možnost manipulace

     Nepoužívá se pojem zvětšení Nutná kalibrace rozměrů Mechanická část ◦ Stolek k upevnění vzorku ◦ Polohovací zařízení ◦ Sonda ◦ ◦ Elektrická část ◦ Napájení ◦ Zpětná vazba Sběr signálu Ovládání pohybu Tlumení mechanických vibrací

   ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Studium krystalů RTG záření ◦ Pronikavost (roste s frekvencí) ◦ ◦ Schopnost ionizace prostředí Luminiscenční účinky Fotochemické účinky Biologické účinky Spojité a Charakteristické záření Detektory ◦ Ionizační Scintilační Polovodičové Fotografické

  Difrakce především na elektronech Braggova rovnice

DB AB

 

d DB

.

sin  

d

.

sin

BC AB

 

DB

.

BC

sin  

n

.

 

d

.

sin   2

d

.

sin  

n

.



 Infračervená spektroskopie ◦ Absorpce (800 nm – 1 mm) ◦ ◦ ◦ ◦  NIR, MIR, FAR Musí dojít je změně dipólmomentu – asymetrické molekuly Typy vibrací   Fundamentální, overtony, horké přechody  Valenční, deformační Instrumentace Disperzní přístroje    FT přístroje Měřící techniky Na průchod Odrazné

 ◦ ◦ ◦ ◦ Ramanova spektroskopie Rozptyl (UV, VIS, NIR)    Rayleighův Stokesův Anti-stokesův Změna polarizovatelnosti  Symetrické molekuly Instrumentace    Disperzní přístroje FT přístroje Měřící techniky Různé úhly zachycování záření

  Struktura ◦ 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 ◦ Přístupy Top – down   Fotolitografie v elektronice Bottom – up Dispergované a kondenzované systémy  Self-assembly

   Nanočástice Nanostrukturní materiály Nanstrukturní vrstvy

    ◦ ◦ Kvantové vrstvy 2D systém Třetí rozměr 1 - 3 nm ◦ Kvantové drátky 1D systém Kvantové tečky ◦ Kvantové klastry Zvláštní struktura

      ◦ ◦ ◦ Samouspořádání struktur Souvisí s: ◦ Van der Waalsovými silami (přitažlivé) Coulombickými silami (odpudivé) Vodíkové můstky Hydrofilní/hydrofobní interakce Pokles volné energie 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 Sol-gel metoda

     ◦ ◦ 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

    Velmi často aplikovaná Vertikální nanostruktury ◦ Přesně kontrolovaná výstavba materiálů a povrchů Křemíkový substrát ◦ ◦ ◦ ◦ Dělení

Homoepitaxe Heteroepitaxe

– substrát i vrstva stejné makrosložení – různé makrosložení

Rheotaxe

– Podložka je kapalina-tavenina, vrstva – tuhá

Grafoepitaxe

– (diataxe, umělá epitaxe), substrát je amorfní (sklo) s upraveným povrchem

 ◦ ◦ ◦ ◦ Typy Z pevné fáze Z kapalné fáze Z plynné fáze  PVD  CVD Epitaxe z molekulových svazků (MBE)

     Amorfní, amorfně-krystalické i krystalické materiály Homogenizace výchozích složek v roztoku Přechod Sol-gel ◦ Zůstává zachována homogenita 3 fáze ◦ Příprava solu – nízkomolekulární prekurzory ◦ ◦ Gelace solu Odstranění rozpouštědla ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Materiály s velkou variabilitou vlastností ◦ Jemné prášky Monolitická keramika a skla Keramická vlákna Anorganické membrány Tenké filmy Aerogely

  ◦ ◦ Uhlík v přírodě ◦ Amorfní ◦ ◦ Uhlíkaté NM ◦ Fullereny ◦ Krystalický     Sférické molekuly Uhlíkaté nanotrubičky  Prodloužené fullereny Uhlíkaté nanopěny Zahřátí pulsním laserem na extrémní teplotu (10000 °C) Extrémně lehká Feromagnetická Grafen Uhlíkaté aerogely

     ◦ ◦ Nejčastěji C60 Laserová ablace grafitu Prudké ochlazení Výskyt v přírodě ◦ Saze ◦ Uhelné vrstvy Fulgurity Meteority Plamen svíčky – žlutá část ◦ ◦ ◦ Laboratorní příprava ◦ C60 Vysoké výtěžky (50 %) Obloukový výboj (C elektrody)

    20 a více atomů uhlíku Mnohostěny „kulovitého“ tvaru ◦ ◦ ◦ Nejstabilnější C60 ◦ ◦ Průměr 1 nm Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům Další struktury Fullerity Dimery/polymery Filleridy

        Podobný způsob přípravy jako fullereny (CVD metody) Velmi dlouhé (mikrony) Průměr několik nm Čistě uhlíkaté Čestičlenné kruhy Různé typy ◦ Duté, plné, vícevrstvé… Jednovrstvé/vícevrstvé Uzavřené/otevřené

  ◦ ◦ ◦ Jedna nebo několik málo grafitických vrstev Příprava CVD metoda Chemicko-mechanická dekompozice grafitu   Oxidace grafitu (KMnO 4 + H 2 SO 4 ) Oddělení vrstev v ultrazvuku  Zpětná redukce Metoda Lepící pásky

     ◦ ◦ ◦ Přechodná oblast Organické Uhlíkaté Anorganické  Si, Ti, Al Podstatnou část tvoří vzduch Velmi nízká hustota Vysoká pevnost Příprava metodou Sol-gel

        ◦ Přírodní materiály Některé rozměry v nanoměřítku Jíl Materiál s obsahem jílových minerálů (aluminosilikátů) Materiál s částicemi < 2 µm ◦ Časté směsi dvou a více jílových minerálů Schopnost sorpce a iontové výměny Schopnost vázat vodu Chování při zahřívání Reakce s organickými látkami

   Vrstevnatá struktura ◦ ◦ Tetraedrické a oktaedrické sítě 1:1, 2:1 Nejstudovanější ◦ Kaolinity ◦ Montmorillonit ◦ Vermikulity Značné využití už u surových materiálů

  Umístění různých molekul do mezivrství ◦ ◦ Organické molekuly Polymery ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ Komplexní ionty Anorganické interkaláty Monoiontové formy Kysele aktivované materiály Komplexní kationy Pilarizace

  ◦ Organické Kationy  Tenzidy ◦ ◦ ◦ ◦  Barviva Polymery Polymery – zvláštní případ Polymer – matrice Interkalace až exfoliace Lepší pevnostní vlastnosti

 S jíly  S uhlíkatými NM  Samotné



3 základní aplikační oblasti

◦ Nanorobotika (NEMS) ◦ Materiálové inženýrství ◦ Molekulární nanotechnologie  Aplikace v elektronice ◦ Materiály ◦ Spintronika ◦ Senzory

  ◦ ◦ ◦ Materiálové inženýrství ◦ ◦ ◦ Vrstvy Kompozitní materiály Samoopravné materiály Medicína Cílená doprava léčiv Nové léčebné postupy Biokompatibilita

 Neznámá toxicita nanočástic a nanomateriálů  Vliv na životní prostředí  Vliv na společnost  Možnost zneužití

Pro dnešek vše

