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 Report

Transcript 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