NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočástice, nanostruktúry-důmyslné formy) (2 díl) Důmyslné formy hmoty otvírající široký prostor převratnému vývoji vědy a novým technologiím Anton Fojtík *Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Czech Republic * fojtiant@fbmi.cvut.cz 1

1980 BERLIN (SRN) Hahn-Meitner-Institut NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 1980 BERLIN (SRN) Hahn-Meitner-Institut 2

between single atoms or molecules and bulk materials. NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 In the EUREKA framework I earlier 80th on the way of research to miniaturization of chips and integrated circuit. Scientists look very hardly for new materials. During the past three decades, “small-particle” research has become quite popular in various fields of physics and chemistry. By “small particles” are meant clusters of atoms or molecules of metals, semiconductors and others materials, ranging in size from < 1 nm to almost 10 nm or having agglomeration numbers from <10 up to a few hundred, i.e., species representing the „ neglected dimension „ between single atoms or molecules and bulk materials. 3

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 CdS CdS CdS Fojtik, H. Weller, U. Koch, and A. Henglein Photo-Physics of Extremely Small CdS Particles: Q-State CdS and Magic Agglomeration Numbers Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 88, 969-977 (1984) Fojtik A.: Quantum State of Small Semiconductor Clusters-"Exciton". Radiat.Phys.Chem. Vo1.28, No 5/6 (1986) p.463 4

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 6

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 7

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Fotonické struktury Elektronické struktury Maxwellovy rovnice Schrödingerova rovnice 8

MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 MANIFESTACE UNIKÁTNÍCH VLASTNOSTÍ Luminescence of nanoparticles Increasing particles size from left to right Cd3 As2 in aqueous solutions in UV light Luminescence of nanoparticles CdSe in UV light Fojtik A., Weller H., Henglein A.: Photochernistry of Serniconductor Colloids: Size Quantization Effects in Q-Cadmium Arsenide. Chem.Phys.Letters VoI.120,No.6 (October 1985) p.552   9

Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast Problematika nanostruktur je interdisciplinární oblast na překryvu chemie, fyziky, biologie a matematiky, eventuálně dalších, která zakládá možnost popisu, studia a využití v těchto směrech. Nanofyzika, nanochemie, nanobiologie a částicové nanostruktury jsou kategorie současné nanovědy, které tyto vlastnosti a procesy popisuje a studuje. 10

Železo – Fe – rozpustné, žluté. NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Unikátní fyzikální a chemické vlastnosti, rozdílné od makrolátky, které se v makrosvětě nevyskytují.   Železo – Fe – rozpustné, žluté. CdAs – polovodič - červený až žlutý, svítí (luminiscence), rozpustný. Uhlík – červený, rozpustný. Si – polovodič - svítí (červená luminescene), rozpustný v org. kap. (chování jako supra tekutý) Nanokeramika vydrží teplotu přes 2000°C (Space shuttle, Space program) . Nanovlákna (např uhlíkové) s makrolátkou vytvářejí nanokompozity Kevlar, Liberec s unikátními super-vlastnostmi (např.váhou 14x lehčí než ocel a s 10x větší pevností) Nebývalé optické, elektrické a magnetické vlastnosti!!! 11

Manipulace s velikosti Prostorová restrikce NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Bgap- band gap- zakázaný pás – ukázat! Částice TiO2 Manipulace s velikosti Prostorová restrikce Nanočástice TiO2

Dveře k převratnému vývoji vědy a novým technologiím NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Dveře k převratnému vývoji vědy a novým technologiím Kde jsou klíče ke dveřím?? 1st Kíč otvírá dveře neobyčejným vlastnostem pro materialové aplikace Manipulace hlavně s rozměrem a tvarem 2nd Kíč otvírá dveře biomedicínským aplikacím Manipulaci s tvarem a povrchem 3 13

1) využití optických, elektrických a magnetických vlastností NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 NANO fenomén: výsledky výzkumu a aplikační možnosti 1) využití optických, elektrických a magnetických vlastností Příklady: aktívní mřížka s koeficientem zesílení světla větším něž 1, (energetický zisk na úkor čerpání ) optické vlákna,magnetické částice, mag.kapaliny 2) jako zdroje optického záření Křemíkové nanostruktury pro další „čipovou“ generaci svítící Si-LED struktúry,čípové struktúry, 3) zázman informací Příklad: světlem řízený přenos náboje – záznam informací na molekulární úrovni, počítačové čipy na molekulání úrovni 4) interakci s jinými strukturami a soubory molekul Příklad: uchovávaní optických informací, fotovoltaické procesy, 5) využití v medicíně a biologii Příklad: el.mag.ventil pro nekrotizaci tumorů, vychytávaní HIV virů in vitro, dopravníky a nosiče léků v biolog.systémech 6) čidla a detektory pro ochranu životního prostředí Příklad:čidla a detektory (schottkyho dioda) pro detekci plynů a virů. 7) nanostroje, nanopřítroje a mnohé další aplikace. 14

Nanostruktury jako zdroje optického záření NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Pokroky nanotechnologie v současnosti můžeme prezentovat v následujících ukázkách Nanostruktury jako zdroje optického záření Křemíkové nanostruktury pro další „čipovou“ generaci svítící Si-LED struktúry,čípové struktúry, 15

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Na 1 cm2 je 109 tranzistorů Na 1 cm2 je 10 km spojů Na 1 cm2 je tepelná stráta výkonu 80 W (jader.reaktor 110 W) 16

Délka elektrických spojů NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Délka elektrických spojů (km/cm2) Rok 17

Rozměr mikroelektonických komponentů NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Teplotní stráty (W/cm2) Rozměr mikroelektonických komponentů 18

V ČEM JE PŮVAB KŘEMÍKOVÉHO LASERU ? NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 V ČEM JE PŮVAB KŘEMÍKOVÉHO LASERU ? Řešení je jednoduché. Nahradit elektrické spoje optickými spoji koherentního světla. Implementovat do struktury IO laser. Když je problém tak jednoduchý,proč se to už nerealizovalo..?? Může Si laser vyřešit problémy? (může, ale…..) Si a Ge mají nepřímy „band gap“ – netvoří laserové struktury! Není možné vytvořit laser!!!! Důvod: nesymetrie prostoru!!! A jiné polovodiče nelze použít z důvodu Si-CMOS technologie Si Raman laser není také řešení,nemá Si CMOS technologii. Existuje řešení??? 19

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Direct bandgap Indirect bandgap Brillouion zone 20

Example of Silicon Raman Laser NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Example of Silicon Raman Laser The laser consisted of a silicon gain medium incorporated in a fiber loop cavity . Pumping was provided by 30 ps pulses centered at 1540 nm at a 25 MHz repetition rate. The laser produced output pulses at the Stokes wavelength of 1675 nm. Cavity was ~ 8 m long to match the pump pulse period. Pulsed operation was necessary in order to avoid accumulation of free carriers that are generated due to the two-photon absorption (TPA). (Kill the laser effect ) Due to the two-photon absorption nonlinear optical loss this scheme was initially working only in a pulsed operation mode. Very recently an improved design allowed also for the continuous operation. However, this encouraging development still contains a major drawback - a need for an external optical pumping.!!! 21

Technology of Si-NC Preparation NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Technology of Si-NC Preparation 22

Křemíkové nanostruktury pro další „čipovou“ generaci Křemíkové nanostruktury pro další „čipovou“ generaci . Pyrolýza silanu SiH4 23

Příprava křemíkových nanočástic NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Příprava křemíkových nanočástic ~ 10 nm výchozí velikost Chemické leptání Fojtik A.,Giersig M.,Henglein A.: Formation of Nanaometer-Size Silicon particles in a Laser Induced Plasma i SiH4. Ber.Buns.Phys.Chem. Vo1.97,No.11 (1993)p.1493   Fojtik A.,Henglein A.: Luminiscent Colloidal Silicon Particles. Chem.Phys.Letters 221 (1994)p.363 FojtikA.,HengleinA.: Luminescece of Colloidal Silicon Suspendions: Quantum Yield,Quenching,and Surface Phenomena J.Phys.Chem. B, Vo.110,No 5,2006, p.1994-1998 Fotoluminiscence nanočástic Si v roztoku cyklohexanu 24

Photoluminiscence Spectra for Various Etching Times

Photouminiscence decay of Si-nanoparticles

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Simulace supratekutosti (vzlínaní) 27

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 8 V 14 V 28

Příklad LED struktury s použitím Si nanokrystalů NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Příklad LED struktury s použitím Si nanokrystalů Rectification factor was abaut five ordes at 7V Elektro luminiscence 29

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 8 V 14 V 30

Čidla a detektory pro ochranu životního prostřed NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Čidla a detektory pro ochranu životního prostřed Příklad:čidla a detektory (schottkyho dioda) pro detekci plynů a virů. 31

DETEKTORY A ČIDLA ZNĚČIŠTĚNÍ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 NANOSTRUKTURY PRO DETEKTORY A ČIDLA ZNĚČIŠTĚNÍ ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ DETEKCE: nežádoucích plynů, virů, částic a záření- čistota životního prostředí Kovové nanostruktury. Micelární soustavy v nevodním prostředí Pd-InP-Schottky-Sensor

PŘÍPRAVA KOVOVÝCH NANOČÁSTIC NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 5 Ve dvou roztocích se samostatně připraví micelly s ionty Pd2+a miselly s hydrazinu Tyto roztoky se poté smíchají – jednotlivé micelly se dostanou k sobě a spojí se – uvnitř zreagují komponenty a postupně se vytvoří klastr PŘÍPRAVA KOVOVÝCH NANOČÁSTIC 33

Interakci s jinými strukturami a soubory molekul NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Interakci s jinými strukturami a soubory molekul Příklad: uchovávaní optických informací, fotovoltaické procesy, 34

NANOTECHNOLOGIE - PROCESY SEPARACE NÁBOJE NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 NANOTECHNOLOGIE - PROCESY SEPARACE NÁBOJE uchovávaní optických informací, fotovoltaické procesy, Sendvičové struktury, složené struktury, kombinované hetero-struktury PODSTATA MANIPULACE S NANOSTRUKTURAMI Spojováním různých druhů nanostruktur a jejich velikostí lze využít vzájemného ovlivňování jednotlivých komponent a určovat jejich výsledné vlastnosti. Tyto struktury se používají jako modelové pro všechny základní procesy ve foto-voltaických, foto-katalytických procesech a procesech uchovávaní optických informací. 35

FYZIKÁLNÍ PODSTATA MANIPULACE S NANOSTRUKTÚRAMI NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 FYZIKÁLNÍ PODSTATA MANIPULACE S NANOSTRUKTÚRAMI 36

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Odjasnění sezibilizace a procesu záznamu optické informace do Ag – světlosenzitívních halogenidových materiálů. Fyzika procesu senzibilizace holografických materiálů. (Gevard,Ilford,Agfa,) Senzibilizace je záležitosti delokalizace nosičů náboje. Separace náboje Separace náboje Photochemistry of Colloidal Semiconductors Reactions and Fluorescence of AgI and AgI - Ag2S Colloids A. Henglein, M. Gutierrez, H. Weller A. Fojtik, J. Jirkovsky Ber. Bunsenges. Phys. Chern. 93, 593 - 599 (1989) 37

Light storage of optoelectrical and electrooptical informations NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 Light storage of optoelectrical and electrooptical informations Motivace : model vidění biologické látky (molekuly) Optical modeling of pictures Kombinované struktury Modelove látky - stilbazolové soli Gorner H.,Fojtik A.,Wroblewski J.,Currell L.J.: Singlet Mechanism for Trans-Cis Photoisomerization of Quartery Salts of 4-Substituted 4'-Azastilbenes (R=CN, H, CH3 and OCH3) and their Quinolinium Analogues. Z.Naturforsch. 40a, 525 (1985) Institut fur Strahlenchemie, Mulheim a.d.Ruhr , Germany 38

LOGICKÉ OBVODY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 3.12.2015 LOGICKÉ OBVODY NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI Pyrazolin Antracen-derivat Antracen-derivat 39