KCH/NANTM Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy.

Prezentace na téma: "KCH/NANTM Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy."— Transkript prezentace:

1 KCH/NANTM Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy

2 Obsah Struktura a vlastnosti nanomateriálů
Nanočástice Nanokrystalické materiály Nanočástice v polovodičích Self-assembly Metody přípravy nanomateriálů Litografie

3 Struktura a vlastnosti nanomateriálů

4 Struktura a vlastnosti NM
Stavební jednotky NM: Rozměr Tvar Atomová struktura Krystalinita Mezifázové rozhraní Chemické složení

5 Struktura a vlastnosti NM
Rozměry Molekuly – pevné částice < 100nm Vlastnosti určeny charakteristickými znaky Částice Klastry Dutiny 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

6 Struktura a vlastnosti NM
Závislost vlastností Vlastnosti nanočástic Uspořádání nanočástic Vznik vnitřních struktur Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury

7 Struktura a vlastnosti NM
Přístupy: Top – down Fotolitografie v elektronice Bottom – up Dispergované a kondenzované systémy Self-assembly

8 Struktura a vlastnosti NM
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

9 Struktura a vlastnosti NM
Funkčnost NM Složení Velikost a tvar Nanostrukturní rozhraní Základní dělení NM Nanokrystalické materiály Nanočástice

10 Struktura a vlastnosti NM

11 Struktura a vlastnosti NM
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

12 Struktura a vlastnosti NM
Tvarové typy nanočástic Koule (spheres) Tyčinka/vlákna (rods) Dráty (wires) Více komplexní profily

13 Struktura a vlastnosti NM
Vznik nanočástic Nukleace Vznik klastrů, homogenní nukleace Koalescence Kolonie dlouhých klastrů Růst

14 Struktura a vlastnosti NM
Tvary nanostrukturních materiálů souvisí s vlastnostmi Kritická velikost zrn 10 – 20 nm Více než 50 % atomů na povrchu Hranice zrn – deformace NM

15 Struktura a vlastnosti NM
Skupiny nanokrystalických materiálů Podle dimenzionality Bezrozměrné atomové shluky Jednorozměrné modulované vrstvy Dvourozměrné jemnozrné vrstvy Trojrozměrné nanostruktury

16 Struktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity

17 Struktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály Dělení dle Gleitera 12 skupin První – tvar krystalitů Druhý – chemické složení

18 Struktura a vlastnosti NM
Nanokompozitní vrstvy Tloušťka < 100 nm (obecně 10 nm a méně) Souvislost s množstvím atomů na povrchu krystalitů Vysoce odlišné vlastnosti od polykrystalických vrstev

19 Struktura a vlastnosti NM
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

20 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích Dělení podle dimenzionality Kvantové vrstvy 2D systém Třetí rozměr nm Kvantové drátky 1D systém Kvantové tečky Kvantové klastry Zvláštní struktura Kvantové – vlastnosti vyplývají z kvantové mechaniky na velmi malých oblastech Klastry – stavební jednotky v NT, mezi volnými atomy a bulk materiálem

21 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích Odlišné vlastnosti NČ Elektrické Magnetické Optické Tepelné Mechanické Kvantově-mechanický fenomén Vodivostní kvantování Coulobovské blokování Kvantové jámy, dráty, tečky

22 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích Elektronicko-optické přístroje a senzory Tranzistory Lasery s kvantovými tečkami – emisní tloušťka čáry Zvýšení citlivosti senzorů Top-down/Bottom-up

23 Struktura a vlastnosti NM
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

24 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – nanoklastry 2D/3D Rozdílné vlastnosti (od volných atomů a molekul) Dekaedrální struktury Ikosaedrální struktury Kvantové jevy

25 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky Polovodičové nanokrystaly 2 – 10 nm ( atomů v průměru) Jasně ohraničená oblast Nahromadění elektronů Pravidelné uspořádání Fasety Různé prvky, sloučeniny CdSe, CdS, ZnS

26 Struktura a vlastnosti NM
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 Energie nižší než vodivostní pás okolního polovodiče

27 Struktura a vlastnosti NM
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

28 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky Laditelné lasery Optické zesilovače Detektory (InAs na GaAs)

29 Struktura a vlastnosti NM
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

30 Struktura a vlastnosti NM
Exotické struktury

31 Struktura a vlastnosti NM
Self-assembly Samouspořádání struktur Souvisí s: Van der Waalsovými silami (přitažlivé) Coulombickými silami (odpudivé) Vodíkové můstky Hydrofilní/hydrofobní interakce Pokles volné energie

32 Struktura a vlastnosti NM
Self-assembly Biologické struktury Polymery Slitiny Samouspořádání při vzniku Samoopravné materiály

33 Metody přípravy NM - litografie

34 Metody přípravy NM 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

35 Litografie 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

36 Litografie 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

37 Litografie Limitující faktor Uplatnění 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

38 Litografie 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

39 Litografie EUV litografie I EUV bude nedostačující
Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU

40 Litografie RTG litografie Nová generace < 40 nm Limitující faktory
Materiál a vzor masky Podobné fotolitografii

41 Litografie RTG litografie Maska Odolnost Absorbéry
Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu

42 Litografie RTG litografie Současné procesory
Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm technologie

43 Litografie Fotolitografie (chemické leptání)
Příprava polovodičových materiálů Studium Hallova jevu Optoelektronika, senzory Základní metoda Vzor je „obtiskován“ do křemíku Mateřský vzor vypálen laserem

44 Litografie Fotolitografie 2 procesy
Záření Leptání přes masku Odstraňovány pouze nepotřebné části

45 Litografie Fotolitografie Obecný postup Násobné opakování procesu
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

46 Litografie Fotolitografie Následné vytvoření vodivých cest
Pokrytí tenkou vrstvou kovu Následné fotolitografické odleptání nepotřebných částí Skleněný izolant

47 Litografie 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

48 Litografie Elektronová litografie
Návrh syntetických difrakčních struktur Vysoká rozlišovací schopnost Levnější duplikování (galvanoplastika + mechanické) Vysoká cena zařízení

49 Litografie 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

50 Litografie Elektronová litografie
Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla Skryté prvky - bezpečnostní účely Nelze kopírovat

51 Pro dnešek vše 