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

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

Struktura a vlastnosti nanomateriálů

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

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

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

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

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

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

Struktura a vlastnosti NM

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích Dělení podle dimenzionality Kvantové vrstvy 2D systém Třetí rozměr 1 - 3 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

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

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

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

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

Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky Polovodičové nanokrystaly 2 – 10 nm (10 - 50 atomů v průměru) Jasně ohraničená oblast Nahromadění elektronů Pravidelné uspořádání Fasety Různé prvky, sloučeniny CdSe, CdS, ZnS

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

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

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

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

Struktura a vlastnosti NM Exotické struktury

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

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

Metody přípravy NM - litografie

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Pro dnešek vše 