Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM

Prezentace na téma: "Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM"— Transkript prezentace:

1 Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM
KCH/NANTM Přednáška 7 Metody přípravy NM, Uhlíkaté NM

2 Obsah Metody přípravy nanomateriálů Uhlíkaté nanomateriály Epitaxe
Sol-gel metoda Uhlíkaté nanomateriály Uhlík Fullereny

3 Metody přípravy NM - epitaxe

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

5 Metody - Epitaxe Krystalografický proces Užití epitaxe
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 Metody - Epitaxe 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 Metody - Epitaxe Požadavky: Princip:
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 Metody - Epitaxe 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 Metody - Epitaxe 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 Metody - Epitaxe 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 Metody - Epitaxe Technologické dělení Běžně používané:
Laserová epitaxe Laser Epitaxy (LE) Běžně používané: VPE - polovodiče LPE - polovodiče MBE - nanotechnologie MOVPE - nanotechnologie

12 Metody - Epitaxe 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 Metody - epitaxe 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 Metody - LPE Princip - příklad: Využitelnost: 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 Metody - Epitaxe Plynná epitaxe (VPE)
Jedna z nejčastěji používaných metod Nejen pro vývoj nanomateriálů Aplikovatelnost nanomateriálů

16 Metody - VPE Hlavní aplikace
Velmi tenké vrstvy – povrchové úpravy substrátů Depozice povrchů brusných ploch Vrtáky, frézy, pily (TiNx, TiAlNx) Řezná keramika Frikční povrchy (TiAlN + MoS2) Optické vrstvy Antireflexní povrchy Interferenční filtry Reflexní vrstvy na zrcadla

17 Metody - VPE Hlavní aplikace Kontakty na polovodičích (Al, Au, Cu)
Velmi tenké vrstvy průhledné ve VIS, přitom elektricky vodivé (In2O3, SnO2, ZnO, In2O3:Sn) IR zrcadla Opláštění budov

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

19 Metody - VPE Nutná extrémní „polovodičová“ čistota prostředí Vakuum
Extrémně čisté nosné plyny (H2, N2)

20 Metody - CVD 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 Metody - CVD 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 Metody - CVD Modifikace Katalytické CVD (CCVD) Nízkotlaké CVD (LPCVD)
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 Metody - CVD Modifikace CVD organokovových prekurzorů (MOCVD)
Ethoxid tantaličný (Ta(OC2H5)5) pro Ta2O5 vrstvy CVD iniciované plasmou (PECVD) Plasma pro iniciaci chem. reakcí Depozice při vysokých teplotách

24 Metody - CVD Uplatnění Polovodičový průmysl
Oxid křemičitý (polykrystalický, amorfní, epitaxní) Uhlíkatá vlákna Uhlíkaté nanotrubičky Nitrid křemičitý

25 Metody - Epitaxe 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 Metody - MBE Tloušťka vrstvy Aplikace v polovodičový technice
Od monoatomární vrstvy Rychlost přípravy 1 monoatomární vrstva / s Možnost řízení na jednu monoatomární vrstvu Aplikace v polovodičový technice Spintronika

27 Metody - MBE 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 Metody - MBE

29 Metody - MBE 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 Metody - MBE 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 Metody - Epitaxe 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 Metody - MOVPE AIXTRON 200 Jediný v ČR FÚ AV ČR

33 Metody přípravy NM – Sol-gel

34 Metody – Sol-gel 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 Metody – Sol-gel 3 fáze Materiály s velkou variabilitou vlastností
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 Metody – Sol-gel Prekurzory Nízkomolekulární organické molekuly
Kovy a polokovy s navázanými reaktivními ligandy Alkoxidy kovů SiO2

37 Metody – Sol-gel Dělení podle druhu prekurzoru
Alkoxidy (M(OR’)n) Alkoxysilany, aloxidy Ti, Al, B Hydrolýza a polykondenzace Různorodé produkty Materiály připravené ze solu SiO2 Příp. sol jiných oxidů Destabilizace solu změnou pH Častá predpolymerizace solu Silně kyselé nebo alkalické prostředí Pomalá reakce

38 Metody – Sol-gel 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 Metody – Sol-gel Odpaření organických rozpouštědel
Změna gelu na rigidní materiál Smršťování matrice Opatrné vysušování Další zahřívání Rozklad organických látek Uzavírání pórů 600 – 700 °C Tvorba skelného stavu

40 Metody – Sol-gel 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 Metody sol-gel dip coating a spin coating
Příprava tenkých filmů Vrstvy na povrchů různých substrátů Zlepšení fyzikálních, chemických a optických vlastností Antireflexní vrstvy (Na2O-B2O3-SiO2, lasery) Optické filtry Odrazné vrstvy IR UV Ochrana proti sprayerům

42 Metody – Sol-gel Různé způsoby nanášení
Dip-coating Spin-coating Capillary-coating Roll-coating Flow-coating Spray-coating Skleněné, keramické, plastové i kovové materiály

43 Uhlík a uhlíkaté nanomateriály

44 Uhlík a uhlíkaté NM 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 Uhlík a uhlíkaté NM

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

47 Fullereny

48 Fullereny 1985 Harold W. Kroto R. F. Curl, R. E. Smalley
Výskyt ve vesmíru R. F. Curl, R. E. Smalley Syntéza Nejčastěji C60 1996 – Nobelova cena

49 Fullereny První exprimenty pro přípravu Laserové odpařování grafitu
Klastry uhlíku Unášení heliem Prudké ochlazení Analýza na MS Klastry C60 a C70

50 Fullereny 1990 Arizonská univerzita 1991Bellovy laboratoře
Technologie přípravy v makroskopickém množství 1991Bellovy laboratoře Supravodivost Do poměrně vysoké teploty Teoreticky předpovězeny nanotrubičky

51 Fullereny Výskyt v přírodě Laboratorní příprava Saze Uhelné vrstvy
Fulgurity Meteority Plamen svíčky – žlutá část Laboratorní příprava C60 Vysoké výtěžky (50 %) Obloukový výboj (C elektrody) Lze objednat Fulgurity – natavení bleskem

52 Fullereny - struktura 20 a více atomů uhlíku
Mnohostěny „kulovitého“ tvaru Nejstabilnější C60 Průměr 1 nm Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům

53 Fullereny - struktura Pro uzavřené těleso – 12 pětiúhelníků
Počet šestiúhelníků neomezený C20 – dvanástistěn Každý další sudý počet atomů C S vyjímkou C22 ?Fulleren = C60? C60 nejstabilnější Eulerova věta

54 Fullereny – C60 Nejsymetričtější Všechny uhlíky rovnocenné postavení
Rozprostření napětí Vysoká stabilita Komolý ikosaedr

55 Fullereny - struktura C70 Nejbližší C60 Přidání 5-ti hexagonů
Protažení v jedné z os (Z) Polyedr podobný ragbyovému míči

56 Fullereny - struktura Fullereny v řadě
C60 C70 C76 C78 C80 C82 V84 Četnost výskytu nad C70 rapidně klesá Další fullereny C240, C330 html

57 Fullereny - Fullerity Materiály na bázi fullerenů
Velká tvrdost a odolnost Využití pro brusné hlavice Krystalové struktury Studium XRD, NMR, STM

58 Fullereny - fullerity Vyšší fullereny – složitější struktury
Varianty materiálů Teplota Tlak – redukce vzdálenosti Kombinace C60 Krychlová symetrie Volná rotace Nízké teploty (pod -100°C) – kmity Možnost vložení cizích atomů Fullereny nestlačitelné

59 Fullereny – dimery/polymery
Typy S přímým propojením fullerenových molekul Bez přímého propojení fullerenových molekul

60 Fullereny - dimery Dělení Plně uhlíkaté dimery S heretoatomy
Bez heteroatomů Plně uhlíkaté dimery Syntéza vyšších fullerenů Nanotubulární forma uhlíku Fullerenové polymery

61 Fullereny - Dimery Syntéza (C60)2 Heterogenní dimery
Mechanicko-chemická reakce Katalýza KCN Vysokorychlostní vibrační mletí Heterogenní dimery Bez přímého propojení Např. C120O Syntéza dalších sloučenin Degradace C60 na světle a vzduchu

62 Fullereny - fulleridy Dopované fullereny a fullerity
Interkalace Kovy Anorganické sloučeniny Organické sloučeniny Interkalační sloučeniny Fullerit C60 1 oktaedrický intersticiální prostor 2 tetraedrické intersticiální prostory

63 Fullereny - Fulleridy MexC60 Me Metallofullereny Typy fulleridů
K, Rb, Cs, La ad. Metallofullereny Typy fulleridů Endoedrické – uvnitř molekuly Substituční – součást molekuly Exoedrické – fulleritové struktury S otevřenou sférou

64 Fullereny - příprava Laserová ablace grafitového terčíku v He atmosféře Kondenzace klastrů v proudu He Expanze do vakua Malá množství

65 Fullereny - příprava Makroměřítko
Odporové zahřívání uhlíkaté elektrody He atmosféra Uhlíkaté plasma ochlazení proudem He Nanosaze – 10 % fullerenů Následná extrakce C60/C70 85/15 Různá omezení – nevhodné pro průmysl

66 Fullereny - příprava Makroměřítko Separace
Nemožnost syntézy kontinuálně Separace představuje 85% nákladů Cena ,- bez DPH/5g (Sigma-Aldrich) Separace Extrakce s použitím organických rozpouštědel Rozpouštěcí metoda Toluen Fullereny přejdou do roztoku Opakování

67 Fullereny - příprava Separace I extrakty mohou obsahovat nečistoty
Sublimační metoda Saze s fullereny zahřívány (křemenná trubice) He atmosféra Fullereny sublimují I extrakty mohou obsahovat nečistoty Další čištění Kapalinová chromatografie Speciální kolony

68 Fullereny - příprava Nový postup Spalování organického materiálu
Vznik fullerenů Vedlejší produkt – aromatické polykondenzované systémy Možnost vyrábět větší množství fullerenů

69 Fullereny - aplikace Pevnější a lehčí materiály Počítačová technika
Filtry a sorbenty Mazadla Katalyzátory Supravodiče Patenty Optika, supravodivost, mikroelektronika, chemie, kosmetika, medicína, metalurgie ad.

70 Fullereny - aplikace Medicína a farmacie Fullerenová chemie
Nosiče léků Kontrastní látky Minimalizace vedlejších účinků Interakce s enzymy, proteiny a DNA Fullerenová chemie Syntéza derivátů Rozpouštědla Katalyzátory Odolné nátěry Fullereny interkalované organikou - paramagnetické Rozšíření magnetismu na plasty

71 Fullereny - aplikace Supravodiče Polymerové řetězce Příměs draslíku
Interkalace chloroformu a bromoformu -156,16°C Použití dusíku místo helia Polymerové řetězce Velmi pevné

72 Pro dnešek vše 