Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

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

Podobné prezentace


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

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

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

3

4  Stavební jednotky NM: ◦ Rozměr ◦ Tvar ◦ Atomová struktura ◦ Krystalinita ◦ Mezifázové rozhraní ◦ Chemické složení

5  Rozměry ◦ Molekuly – pevné částice < 100nm ◦ Vlastnosti určeny charakteristickými znaky  Částice  Klastry  Dutiny  1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

6  Závislost vlastností ◦ Vlastnosti nanočástic ◦ Uspořádání nanočástic  Vznik vnitřních struktur  Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury

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

8  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  Funkčnost NM ◦ Složení ◦ Velikost a tvar ◦ Nanostrukturní rozhraní  Základní dělení NM ◦ Nanokrystalické materiály ◦ Nanočástice

10

11  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 Tvarové typy nanočástic  Koule (spheres)  Tyčinka/vlákna (rods)  Dráty (wires)  Více komplexní profily

13 Vznik nanočástic ◦ Nukleace  Vznik klastrů, homogenní nukleace ◦ Koalescence  Kolonie dlouhých klastrů ◦ Růst

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

15 Skupiny nanokrystalických materiálů ◦ Podle dimenzionality ◦ Bezrozměrné atomové shluky ◦ Jednorozměrné modulované vrstvy ◦ Dvourozměrné jemnozrné vrstvy ◦ Trojrozměrné nanostruktury

16 Nanokrystalické materiály  Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze  Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity

17 Nanokrystalické materiály  Dělení dle Gleitera ◦ 12 skupin ◦ První – tvar krystalitů ◦ Druhý – chemické složení

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

19 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 Nanočástice v polovodičích  Dělení podle dimenzionality ◦ Kvantové vrstvy  2D systém  Třetí rozměr nm ◦ Kvantové drátky  1D systém ◦ Kvantové tečky ◦ Kvantové klastry  Zvláštní struktura

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

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

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

25 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 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

27 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 Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky  Laditelné lasery  Optické zesilovače  Detektory (InAs na GaAs)

29 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 Exotické struktury

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

32 Self-assembly  Biologické struktury  Polymery  Slitiny  Samouspořádání při vzniku  Samoopravné materiály

33

34  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  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  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  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

38 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 EUV litografie  I EUV bude nedostačující  Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU

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

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

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

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

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

45 Fotolitografie  Obecný postup ◦ Nanesení vrstvy SiO 2 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 Fotolitografie  Následné vytvoření vodivých cest ◦ Pokrytí tenkou vrstvou kovu ◦ Následné fotolitografické odleptání nepotřebných částí ◦ Skleněný izolant

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

49 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 Elektronová litografie  Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla  Skryté prvky - bezpečnostní účely  Nelze kopírovat

51 Pro dnešek vše


Stáhnout ppt "Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy."

Podobné prezentace


Reklamy Google