FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Nanoznanost i nanotehnologija - novi materijali “Big Events Happen in Small Worlds” Uvod: nanoznanost i nanotehnologija: jučer, danas.
Download ReportTranscript FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Nanoznanost i nanotehnologija - novi materijali “Big Events Happen in Small Worlds” Uvod: nanoznanost i nanotehnologija: jučer, danas.
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA MATERIJALI ZA ELEKTROTEHNIČKE PROIZVODE Nanoznanost i nanotehnologija - novi materijali “Big Events Happen in Small Worlds” Uvod: nanoznanost i nanotehnologija: jučer, danas sutra Razvoj nanoznanosti i nanotehnologije Nano tržište Kako vidjeti i proizvesti nanostrukture Tehnike proizvodnje nanostruktura Podjela nanostruktura Primjeri ugljikovih nanomaterijala, primjene ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Zavod za primijenjenu fiziku Ak. god. 2014/2015 Zagreb, 16. 01. 2015. Nanoznanost - jučer, danas, sutra INTERDISCIPLINARNOST istraživanja u FIZICI, KEMIJI, BIOLOGIJI, INŽENJERSTVU, MEDICINI itd.. Materija na nanoskali: NEMA ista svojstva kao materija na makroskali MIJENJA SVOJSTVA (električna, mehanička, magnetska, kemijska, optička...) OVISNO O DIMENZIJAMA Nanoznanost i nanotehnologija- jučer, danas, sutra NANO (grč.)= PATULJAK Proučava materiju, objekte na “nano” skali (1-100 nm) 1nm = 10-9 m Rezultirajuća tehnologija=NANOTEHNOLOGIJA Nanotehnologija jest sposobnost promatranja, mjerenja, manipuliranja i proizvodnje na nanometarskoj skali. riječ “nanotehnologija”; 1974. Norio Taniguchi, predstavio svoju viziju manipulacije tvari za poluvodičku industriju i to atom-po-atom ili molekula-po-molekula Nanoznanost - jučer, danas, sutra prije 25. stoljeća Demokrit- atom (atomos – nedjeljiv) 1738. g Daniel Bernouli - "Atomska teorija svemira" kraj 19. st. –proučavanje atoma- novi svemir skriven u njegovom najsitnijem dijelu 1959. Richard P. Feynman (There's Plenty of Room at the Bottom) - kreacija materije Nanoznanost - jučer, danas, sutra “When Neil Armstrong stepped onto the moon, he called it a small step for man and a giant leap for mankind. Nano may represent another giant leap for mankind, but with a step so small that it makes Neil Armstrong look the size of a solar system.” nanotehnologija "Bila ono dobro ili loše, najveće znanstveno otkriće u povijesti tek se treba dogoditi?" - K. Eric Drexler 1992. godine predstavio svoje ideje pred američkim kongresom; nakon tog predstavljanja našlo se dovoljno novca da započne utrka, koja je na koncu omogućila da novo tisućljeće dočekamo u društvu nano procesora i kvantnih računala Nanoznanost - jučer, danas, sutra Rimljani, 4.st LYCURGUS cup Prvi poznati nano objekti – ZLATO! Crveno u transmitiranoj isvjetlosti (izvor znutra) Zeleno u reflektiranoj (izvor izvana) Koloidalno zlato : ugrađeno u staklo i staklene vaze Nanoznanost - jučer, danas, sutra 1856. M. FARADAY- colloidal gold: “divided metals” (čuva se i danas u Royal Institution) - na temelju rada alkemičara i osnivača moderne medicine – PARACELZIJUSA –za liječenje, čišćenje tijela poboljšanje memorije, koncentracije Koloidalno zlato Nanostruktura zlata (fluorescencija) nanožice Razvoj Nanoznanosti i nanotehnologije - STM 1981. Binning i Rohler (IBM) dobili Nobelovu iz fizike (1986) za otkriće Pretražnog Tunel mikroskopa (STM) - otkriće fulerena: Kroto, Smalle i Curl 1996 Nobelova nagrada 19 god kasnije iz kemije AFM STM nanotehnologija - danas ? STM –atom bakra već čini postojeće proizvode lakšim, snažnijim, bržim, manjim, dugotrajnijim Nano tržište 2005. sastavni dio proizvedenih dobara u iznosu od $30 milijardi, i predviđa se da će ovaj iznos eksponencijalno rasti na više od $350 bilijuna $ - 2015. više od 1,000 proizvoda na tržištu koji u sebi uključuju nanotehnologiju za svakodnevnu uporabu i više od 400 proizvoda koji uključuju nano instrumente i testne naprave. EU-FP7 2008-2012 2,5 milijardi eur, U svijetu godišnje 14 milijardi $ Nanotehnologija u svakodnevnom životu nanotechnology neverwet fabrics Nanoznanost - resursi potrebni za istraživanja *** Basic sience and engineering degrees are absolutely essential! Primjer izazova za nanotehnologiju razvoj poluvodičke industrije, ograničenja Mooreova zakona Nano – budućnost http://www.youtube.com/watch?v=IX-gTobCJHs http://www.youtube.com/watch?v=GKiRDVC97hk&feature=relmfu Nano – budućnost svemirska dizala lab-on-a-chip Tehnike proizvodnje nanostruktura 13.2.2009 15 Kako vidjeti i proizvesti nanostrukture? http://www.youtube.com/watch?v=rCC6l9nmj3A&feature=relmfu part4 alati za manipulaciju AFM, STM, TEM, SEM Fotolitografija (DUV), electron beam lit. (Oksidacija,Maske, Implantacija, Jetkanje,Metalizacija, Lift-off) Focused Ion Beam MBE, vakuumske depozicije, pulsna laserska depozicija Kemijske metode STM Gerd Binning i Heine Rohrer (IBM, Švicarska, 1979.). Nobelova nagrada za fiziku 1986. Xe na površini (100)Ni – 1989. 13.2.2009 • Očekivali rezoluciju od 45 Å!!! • Problem – vibracije. 17 AFM 13.2.2009 18 TEM & SEM 13.2.2009 19 Nanostrukture-opća podjela Prema broju dimenzija, možemo ih podijeliti na: •tridimenzionalne stukture (3D) – u ovim strukturama nema kvantizacije kretanja čestice, čestica je slobodna, •dvodimenzionalne stukture (2D) – kvantne jame, kvantizacija se događa samo u jednom smjeru dok se čestica može slobodno gibati u preostala dva smjera, •jednodimenzionalne stukture (1D) – kvantne žice, dolazi do zatočenja čestice u dvije dimenzije što rezultira slobodnim kretanjem u samo jednom smjeru, •bezdimenzionalne strukture (0D) – kvantne točke, dolazi do kvantizacije u sve tri raspoložive dimenzije. 13.2.2009 20 Nanostrukture Kvantne točke A pyramidal InAs Quantum dot that is 27 atomic monolayers wide at the base and 15 atomic monolayers tall. This corresponds to 6.5 cubic unit cells width and 3.5 cubic unit cells height, which in turns corresponds to about 3.9 width and 2.1nm height. Typically these quantum dots are about 20nm wide and 5nm tall and encapsulated by GaAs. This small dot provides insight into the crystal symmetry of z zincblende crystal viewed from different angles and a pyramidal quantum dot. CdSe The semiconductor InAs can be grown as a crystal on top of a GaAs substrate. Since the natural InAs lattice constant is larger than the one of GaAs the material can clump up to form nanoscale, perfect crystal structures that can take on pyramidal or dome shapes. Typical sizes of such quantum dots are 20nm in diameter and 5nm in height. The InAs material is typically capped / overgrown with GaAs. The central structure can confine additional electrons and form an artificial atom. Such artificial atoms can have optical properties like natural atoms like the ability to absorb and emit light. The frequency or wavelength of this optical activity can be designed by quantum dot size, shape and material composition.[nanoHUB] http://www.youtube.com/watch?v=s3H0_8TLs-A&feature=youtu.be 13.2.2009 21 Nanostrukture kvantne jame If one makes a heterostructure with sufficiently thin layers, quantum interference effects begin to appear prominently in the motion of the electrons. The simplest structure in which these may be observed is a quantum well, which simply consists of a thin layer of a narrower-gap semiconductor between thicker layers of a wider-gap material. The band profile then shows a ``rectangular well,'' as illustrated in Fig. Figure : Energy-band profile of a structure containing three quantum wells, showing the confined states in each well. The structure consists of GaAs wells of thickness 11, 8, and 5 nm in Al Ga As barrier layers. The gaps in the lines indicating the confined state energies show the locations of nodes of the corresponding wavefunctions. The electron wavefunctions in such a well consist of a series of standing waves, such as might be found in a resonant cavity in acoustic, optical or microwave technologies. The energy separation between these stationary states is enhanced by the small effective mass of electrons in the conduction bands of direct-gap semiconductors 13.2.2009 22 Nanostrukture kvantne žice Scanning electron micrograph of FeCo nanowires http://www.youtube.com/watch?v=WRLR1YPH69o&feature=relmfu 13.2.2009 23 Primjer nanomaterijala sa ugljikom alotropske modifikacije ugljika; grafit i dijamant grafit dijamant Primjer nanomaterijala sa ugljikom alotropske modifikacije ugljika; fulereni, OLC(onion like carbon) fulereni 1985. na sveučilištu Rice eksperimenti sa laserskom spektroskopijom umjetno stvoreni materijali, vlačne čvrstoće oko 20 puta veće od legura čelika, gustoću oko 1/2 one od aluminija OLC(onion like carbon) Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi dva glavna tipa nanocijevi: jednostjenčane nanocijevi(singlewalled nanotubes) i višestjenčane nanocijevi(multiwalled nanotubes) 1991. Sumio Iijima, NEC Corporation Japan grafen kao gradivni element Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi jednostjenčane ugljikove nanocijevi(single-walled carbon nanotubes) plohe grafena zamotane u oblik šupljeg cilindra Nanotechnology - Carbon Nanotube Electronics MISSION POSSIBLE: Graphene Primjer nanomaterijala - ugljikove nanocijevi višestjenčane ugljikove nanocijevi (multiwalled carbon nanotubes) općenito, nanocijevi su: sedam puta lakše od čelika, ali jedno 500 puta čvršće elektroni u nanocijevima mogu putovati mnogo brže nego u metalima kao što je bakar električki se mogu ponašati kao metalni vodiči ili poluvodiči posjeduju dvostruko veću toplinsku vodljivost od dijamanta Alotropi ugljika (nastavak) Grafen 2-D grafen K.S. Novoselov et al., Science 306, 2004 jednoatomski sloj, termodinamički stabilan ekrani osjetljivi na dodir, savitljivi e-papir, savitljivi OLED RF tranzistori, fotonika, plazmonika,... 3-D grafit, dijamant, lonsdaleit [A.K. Geim et al., Nature Mat. 6, 2007] M. Poljak 329 Grafen – Metode proizvodnje Grafen Mehanička eksfolijacija jednostavna “selotejp” metoda najkvalitetniji, ali maleni uzorci μ > 10.000 cm2/Vs CVD rast [N.M.R. Peres et al., New J. Phys. 11, 2009] rast na metalima (Cu/Ni) potreban transfer na podlogu velika površina, ali više defekata μ > 3.000 cm2/Vs Roll-to-Roll metoda (Samsung, Sony) Epitaksijalni grafen termalna dekompozicija SiC μ ~ 1.000 cm2/Vs (Si površina), ~ 5.000 cm2/Vs (C površina) M. Poljak 430 Grafen Grafenove vrline... visoka pokretljivost (suspendirani grafen > 200.000 cm2/Vs) visoka brzina zasićenja nosilaca kompatibilan s CMOS procesom ...i mane nulti zabranjeni pojas veliko curenje struje, nizak ON-OFF omjer slabo zasićenje struje odvoda 13.2.2009 31 Neka područja primjene u elektrotehnici 13.2.2009 Procesorski elementi Pohrana podataka Tehnologija prikaza slike Proizvodnja energije Skladištenje energije Detektori i senzori 32 Primjene ugljikovih nanocijevi u RF području nanomehanički radio odašiljač tipični radio odašiljač nanocijevni radio odašiljač Primjene ugljikovih nanocijevi radio prijemnik sa ugljikovom nanocijevi kao demodulatorom – primjer minijaturizacije AM demodulator temeljen na ugljikovoj nanocijevi Primjene ugljikovih nanocijevi radio prijemnik sa ugljikovom nanocijevi uređaj čiji se rad temelji na bežičnom prijenosu signala tipični radio prijemnik ugljikova nanocijev priključena na elektrodu u blizini protuelektrode Link za predavanje o grafenu: https://www.dropbox.com/s/5csln5vplgvs739/Poljak%20ETNZM%202012.ppt