Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM.  Metody přípravy nanomateriálů ◦ Epitaxe ◦ Sol-gel metoda  Uhlíkaté nanomateriály ◦ Uhlík.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM.  Metody přípravy nanomateriálů ◦ Epitaxe ◦ Sol-gel metoda  Uhlíkaté nanomateriály ◦ Uhlík."— Transkript prezentace:

1 Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM

2  Metody přípravy nanomateriálů ◦ Epitaxe ◦ Sol-gel metoda  Uhlíkaté nanomateriály ◦ Uhlík

3

4  Velmi často aplikovaná  Vertikální nanostruktury  Přesně kontrolovaná výstavba materiálů a povrchů ◦ Křemíkový substrát  Nejedná se o normální nanášení vrstev ◦ Naprašování ◦ Napařování

5  Krystalografický proces ◦ Seskupení atomů (vrstva) na substrátu ◦ Krystalografická orientace vrstvy dána strukturou podložky  Užití epitaxe ◦ Krystalograficky velmi dokonalé monokrystalické vrstvy ◦ Velmi tenké vrstvy ◦ Dokonale (atomárně) spojené materiály s minimem defektů ◦ Nejčastěji polovodičová technika

6  Základní typy epitaxe ◦ Dělení založeno na vztahu vrstva-podložka ◦ Homoepitaxe – substrát i vrstva stejné makrosložení ◦ Heteroepitaxe – různé makrosložení ◦ Rheotaxe – Podložka je kapalina-tavenina, vrstva – tuhá ◦ Grafoepitaxe – (diataxe, umělá epitaxe), substrát je amorfní (sklo) s upraveným povrchem

7  Požadavky: ◦ Absolutně atomárně hladký (čistý) povrch substrátu ◦ Zbavení oxidů a adsorbovaných látek  Princip: ◦ Doprava atomů nebo molekul pro epitaxní depozici k povrchu ◦ Fyzosorpce  Chemisorpce (princip minima energie) ◦ Růst nanostrukturní vrstvy

8  Technologické dělení ◦ Epitaxe z pevné fáze  Solid state epitaxy (SSE)  Solid phase epitaxy (SPE) ◦ Kapalná epitaxe  Liquid phase epitaxy (LPE)  Liquid phase elektroepitaxy (LPEE)

9  Technologické dělení: ◦ Plynná epitaxe  Vapour phase epitaxy (VPE)  Chemical vapour deposition (CVD)  Physical vapour deposition (PVD)  Plynná molekulární epitaxe  Molecular beam epitaxy (MBE)  Solid Source MBE (SSMBE)  Chemical beam epitaxy

10  Technologické dělení: ◦ Plynná epitaxe  Plynná molekulární epitaxe  Molecular beam epitaxy (MBE)  Solid Source MBE (SSMBE)  Chemical beam epitaxy (CBE)  Gas source MBE (GSMBE)  Metal organic MBE (MOMBE)  UltraHigh Vacuum Atomic Layer Epitaxy (UHV ALE)  Plynná epitaxe z organokovových sloučenin  Metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE)

11  Technologické dělení ◦ Laserová epitaxe  Laser Epitaxy (LE)  Běžně používané: ◦ VPE - polovodiče ◦ LPE - polovodiče ◦ MBE - nanotechnologie ◦ MOVPE - nanotechnologie

12 Epitaxe z tuhé fáze (SPE)  Přenos atomů ze zdroje na substrát plynnou fází  Přenášené částice – nejčastěji molekuly  Příprava tenkých vrstev – polovodiče ◦ Diody ◦ Tranzistory ◦ IO – kombinace s difúzními procesy  Výhody ◦ Nižší teplota přípravy krystalů než jejich bod tání ◦ Menší riziko kontaminace

13 Epitaxe z kapalné fáze (LPE)  Využití v klasické mikroelektronice ◦ LED ◦ Solární články ◦ Vrstvy v řádech desítek µm  Princip ◦ Přenos částic z roztoku na substrát ◦ Následuje růst

14  Princip - příklad: ◦ Nasycený roztok GaAs ◦ Chladnutí ◦ Vyloučení na vhodné podložce  Využitelnost: ◦ Tenké vrstvy (i pod 100 nm) ◦ Velmi krátký kontakt substrátu s kapalinou ◦ Nereprodukovatený a nehomogenní růst

15 Plynná epitaxe (VPE)  Jedna z nejčastěji používaných metod  Nejen pro vývoj nanomateriálů  Aplikovatelnost nanomateriálů

16  Hlavní aplikace ◦ Velmi tenké vrstvy – povrchové úpravy substrátů ◦ Depozice povrchů brusných ploch  Vrtáky, frézy, pily (TiN x, TiAlN x )  Řezná keramika ◦ Frikční povrchy (TiAlN + MoS 2 ) ◦ Optické vrstvy  Antireflexní povrchy  Interferenční filtry  Reflexní vrstvy na zrcadla

17  Hlavní aplikace ◦ Kontakty na polovodičích (Al, Au, Cu) ◦ Velmi tenké vrstvy průhledné ve VIS, přitom elektricky vodivé  (In 2 O 3, SnO 2, ZnO, In 2 O 3 :Sn)  IR zrcadla  Opláštění budov

18  Dělení VPE podle metody transportu ◦ PVD  Napaření  Vypařování, naprašování, laserová ablace, výboj  Bez chemické reakce ◦ CVD  Těkavé sloučeniny  Termický rozklad

19  Nutná extrémní „polovodičová“ čistota prostředí  Vakuum  Extrémně čisté nosné plyny (H 2, N 2 )

20  Příprava tenkých filmů  Účinek jednoho nebo více těkavých prekurzorů na substrát  Reakce na povrchu ◦ Mezi sebou ◦ Rozklad za vzniku požadovaného materiálu ◦ Vysoké teploty (Si – 1200°C) ◦ Odstranění vedlejších těkavých produktů ◦ Reakce ovládány teplotou reaktoru

21  Modifikace CVD ◦ Atmosférická CVD (APCVD) ◦ Epitaxe atomových vrstev (ALCVD)  Dva prekurzory  Jeden se adsorbuje na substrát  K dekompozici je nutný druhý prekurzor  Dobrá kontrola kvality filmu

22  Modifikace ◦ Katalytické CVD (CCVD)  CVD horkého vlákna ◦ Nízkotlaké CVD (LPCVD)  Redukce nežádoucí plynné fáze  Rovnoměrnost filmu přes celý substrát  UHV CVD ◦ CVD v přítomnosti aerosolu (AACVD)  Prekurzor ve formě aerosolu  Ultrazvuk  Využitelnost i pro netěkavé prekurzory

23  Modifikace ◦ CVD organokovových prekurzorů (MOCVD)  Ethoxid tantaličný (Ta(OC 2 H 5 ) 5 ) pro Ta 2 O 5 vrstvy ◦ CVD iniciované plasmou (PECVD)  Plasma pro iniciaci chem. reakcí  Depozice při vysokých teplotách

24  Uplatnění ◦ Polovodičový průmysl ◦ Oxid křemičitý (polykrystalický, amorfní, epitaxní) ◦ Uhlíkatá vlákna ◦ Uhlíkaté nanotrubičky ◦ Nitrid křemičitý

25 Molecular beam epitaxy (MBE)  Epitaxe z molekulárních svazků  Monokrystalické materiály  I monoatomární tloušťka  Krystalické heterostruktury  Vícevrstvé struktury polovodičů ◦ Velmi tenké jednotlivé vrstvy s rozdílnými vlastnostmi

26  Tloušťka vrstvy ◦ Od monoatomární vrstvy ◦ Rychlost přípravy 1 monoatomární vrstva / s ◦ Možnost řízení na jednu monoatomární vrstvu  Aplikace v polovodičový technice  Spintronika

27  Prvky v pevné fázi (Ga, As, Al) (efuzní cely, ohřev 700 °C)  Vysoké vakuum  Směrované svazky  Předehřátá monokrystalická podložka  Reakce – vytvoření monovrstvy  Clonky – řízení složení  Dopanty (Si, Be) – typ přechodu  Ultravysoké vakuum

28

29  Obecný postup ◦ Adsorpce stavební částice na povrch substrátu ◦ Difúze atomů po povrchu ◦ Vytváření nové vrstvy ◦ Desorpce atomů z povrchu ◦ Možnost shlukování atomů do klastrů – nanovzory  Nové trojrozměrné uspořádané struktury  Uspořádání už před dosednutím na povrch

30  Především výzkumná technologie  Výroba velmi složitých heterostrukturních systémů  Výborné elektrické a optické vlastnosti  Tranzistory o řád rychlejší než Si  GaAs obvody ◦ Buzení polovodičových laserů ◦ Zesilování slabých superrychlých detektorů

31 Metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE)  Plynná epitaxe  Nutná dostupnost extrémně čistých organokovových sloučenin  Složité chemické reakce v blízkosti vznikající vrstvy  Nové materiály se složitější strukturou  Obdobné výsledky jako MBE, ale vyšší výkon

32  AIXTRON 200 ◦ Jediný v ČR ◦ FÚ AV ČR

33

34  Amorfní, amorfně-krystalické i krystalické materiály  Homogenizace výchozích složek v roztoku  Přechod Sol-gel ◦ Zůstává zachována homogenita  Princip ◦ Tvorba amorfního materiálu ◦ Transformace  Kapalný systém (koloid)  Zesíťování – kontinuální pevná fáze

35  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

36  Prekurzory ◦ Nízkomolekulární organické molekuly ◦ Kovy a polokovy s navázanými reaktivními ligandy  Alkoxidy kovů  SiO 2

37  Dělení podle druhu prekurzoru ◦ Alkoxidy (M(OR’) n )  Alkoxysilany, aloxidy Ti, Al, B  Hydrolýza a polykondenzace  Různorodé produkty ◦ Materiály připravené ze solu SiO 2  Příp. sol jiných oxidů  Destabilizace solu změnou pH  Častá predpolymerizace solu ◦ Silně kyselé nebo alkalické prostředí ◦ Pomalá reakce

38  Vlivy na vlastnosti systému ◦ Přechod Roztok  sol  gel ◦ Přechod Sol  gel ◦ Teplota reakce ◦ Doba reakce ◦ pH roztoku ◦ Přítomnost nebo poměr voda:alkoxid ◦ Zhutňování - sušení

39  Odpaření organických rozpouštědel ◦ 50 – 200 °C  Změna gelu na rigidní materiál  Smršťování matrice  Opatrné vysušování  Další zahřívání ◦ Rozklad organických látek ◦ Uzavírání pórů ◦ 600 – 700 °C ◦ Tvorba skelného stavu

40  Příprava skel chemickou cestou ◦ Reakce koloidu s následným sušením a výpalem ◦ Možnost nechat v povrchové vrstvě část organických molekul  Hydrofobní charakter  Hydrofilní charakter ◦ Heterogenní částice – barevnost  Zpracování biologického materiálu ◦ Biologická aktivita materiálu ◦ Katalýza, medicína, biosenzory

41 Metody sol-gel dip coating a spin coating  Příprava tenkých filmů  Vrstvy na povrchů různých substrátů  Zlepšení fyzikálních, chemických a optických vlastností ◦ Antireflexní vrstvy (Na 2 O-B 2 O 3 -SiO 2, lasery) ◦ Optické filtry ◦ Odrazné vrstvy  IR  UV  Ochrana proti sprayerům

42  Různé způsoby nanášení ◦ Dip-coating ◦ Spin-coating ◦ Capillary-coating ◦ Roll-coating ◦ Flow-coating ◦ Spray-coating  Skleněné, keramické, plastové i kovové materiály

43

44  Základní stavební jednotka všech organických látek  Nekovový prvek  Výskyt v přírodě ◦ Amorfní – saze ◦ Krystalický  Grafit – šesterečná soustava, jeden z nejměkčích známých nerostů,  Diamant – plošně centrovaná krychlová soustava, nejtvrdší přírodní nerost

45

46  Fullereny ◦ Sférické molekuly  Uhlíkaté nanotrubičky ◦ Prodloužené fullereny  Uhlíkaté nanopěny ◦ Zahřátí pulsním laserem na extrémní teplotu (10000 °C) ◦ Extrémně lehká ◦ Feromagnetická  Grafen  Uhlíkaté aerogely

47 Pro dnešek vše


Stáhnout ppt "Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM.  Metody přípravy nanomateriálů ◦ Epitaxe ◦ Sol-gel metoda  Uhlíkaté nanomateriály ◦ Uhlík."

Podobné prezentace


Reklamy Google