Nanotechnologia. Wykład I

Transkrypt

1 Universitas Jagellonica Cracoviensis Nanotechnologia Wykład I J.J. Kołodziej Pokój: 248, Reymonta 4/G-0-11, Łojasiewicza 11 Tel jj.kolodziej@uj.edu.pl Wykłady dla 1 roku ZMiN II stopnia Semestr zimowy 2014/2015

2 definicja nanotechnologii Nanostruktury obiekty większe od atomów, mające przynajmniej jeden z wymiarów nie większy niż 100 nanometrów Nanotechnologia reguły i opisy procesów, których celem jest wytwarzanie nanostruktur o zamierzonych właściwościach. Nanotechnologia - interdyscyplinarne pole naukowe mieszczące zagadnienia dotyczące nanostruktur => wykład Właściwości nanostruktur

3 Zagadnienia do zrealizowania w ramach tego cyklu wykładów (Nanotechnologia) 1) Samoorganizacja i samoskładanie, synteza chemiczna dużych cząsteczek. 2) Nanocząstki, roztwory koloidalne, metody wytwarzania nanocząstek na drodze kondensacji w gazach i w roztworach 3) Struktura atomowa powierzchni krystalicznych vs. struktura objętościowa kryształów w skali atomowej. Relaksacja powierzchni. Rekonstrukcja powierzchni. Energia powierzchni. Grupy symetrii dla powierzchni krystalicznych. 4) Cienkie warstwy - technologie ultrawysokopróżniowe: epitaksja z wiązki molekularnej (MBE), osadzanie warstw atomowych (ALD), technologie MOCVD i CVD. 5) Metody syntezy nanostruktur w oparciu o formy (template synthesis). 6) Metody katalityczne (np: VLS, LCG): synteza półprzewodnikowych nanodrutów, nanrurek, drzew stojących na powierzchni. 7) Techniki syntezy fulerenów i nanorurek: łukowe, laserowe, pirolityczne, katalityczne/chemiczne. 8) Techniki litograficzne, optyczne, elektronowiązkowe, jonowowiązkowe,itd. 9) Przeniesienie wzoru litograficznego, implantacja, metalizacja, trawienie chemiczne i plazmowe, 10) Inne rodzaje litografii: litografia sondą skanującą, mikrodruk... 11) Litografia 3D: rentgenowska wiązka promieniowania synchrotronowego, stereolitografia, litografia interferometryczna. 12) Nanolitografia w produkcji układów elektronicznych wielkiej skali integracji. 13) Współczesne trendy rozwojowe dla (nano)układów elektronicznych wielkiej skali integracji: materiały high-k i low-k, materiały naprężone, geometrie nieplanarne, układy terahercowe oparte na materiałach III-V. 14) Warstwy magnetyczne do zapisu danych. Granica superparamagnetyczna 15) Bionano - inspiracje czerpane z natury

4 Co będzie na wykładzie Właściwości nanostruktur - w semestrze letnim 2015/2016 (zagadnienia, które są często włączane w zakres wykładów z nanotechnologii 1. Różnice we własciwościach fizycznych pomiędzy obiektami nanoskalowymi a makro(mikro) skalowymi. Np. czasy parowania kropli wody, stałe czasowe transportu ciepła, dyfuzja, częstości drgań, czasy ruchu bezwładnego w ośrodku lepkim, pojemności elektryczne. 2. Budowa materii oraz struktura elektronowa w kontekście izolowanych atomów/molekuł oraz układów periodycznych (kryształów). 3. Oddziaływania międzyatomowe (molekularne). Promienie atomowe pierwiastków. 4. Oddziaływania orientacyjne, dyspersyjne, Casimira. 5. Zagadnienia termodynamiczne w kontekście nanostruktur. Obniżenie energii parowania przy przejściu do rozmiarów nanoskalowych (model kroplowy). Temperatury przejść fazowych w nanoskali 8. Funkcje falowe elektronów prawie swobodnych w 1, 2, 3 wymiarach. Gęstości stanów elektronowych dn/de dla obiektów kwazi 1D, kwazi 2D, kwazi 3D. 9. Struktura elektronowa grafenu i nanorurek węglowych. Problem przewodzenia prądu przez paski grafenowe i nanorurki węglowe. 11. Potencjał dla elektronu na granicy metal-próżnia. 12. Terminacja funkcji falowych elektronów z wnętrza kryształu przy powierzchni (ewanescencja). Postaci funkcji falowych dla stanów powierzchniowych Shockleya. 13. Diagramy pasmowe dla granicy pomiędzy różnymi półprzewodnikami bez domieszek. Złącze metal-półprzewodnik domieszkowany. Szerokość obszaru zubożonego 15. Przewodnictwo elektryczne normalne i balistyczne. Kwantowanie przewodności w nanodrutach. 16. Studnia kwantowa. Stany elektronowe studni kwantowej (1D) -przypadek studni nieskończonej i skończonej. 17. Funkcje falowe elektronu w kropce (studni) kwantowej 2D. Przypadek kropki prostokątnej i o symetrii kołowej. Studnia paraboliczna 2D. 18. Przepływ prądu przez nanokropkę 2D w układzie SET. Sztuczny atom. Obszary stabilności kropki kwantowej. 19. Całkowity kwantowy efekt Halla IQHE. 20. Gigantyczna magnetorezystancja GMR

5 Universitas Jagellonica Cracoviensis Literatura do wykładu: 1) R. Wasser (ed.) Nanoelectronics and Information Technology, Willey-VCH, ) 2) G. Timp (ed.), Nanotechnology, Springer-Verlag, ) 3) W. R. Fahrner Nanotechnology and Nanoelectronics, Springer-Verlag, ) C. Dupas (ed.) Nanoscience, Nanotechnologies and Nanophysics (Springer 2007) 5) T. Ando et al.. Mesoscopic Physics and Electronics (Springer 1998) 6) M. Grundman, The Physic of Semiconductors (An Introduction Including Devices and Nanophysics), Springer ) E.P. Wohlwarth, Ferromagnetic Materials, North Holland ) P. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors, Springer ) G.S. Rohrer, Structure and Bonding in Crystalline Materials, Cambridge University Press ) Odnośniki podane przy konkretnych zagadnieniach

6 Dziś: Motywacje i dygresja historyczna Krótka historia nanotechnologii Przykłady nanostruktur Ciekawostki

7 Początki przemysłowej produkcja energii James Watt i jego maszyna parowa The History of Technology, ed. Ch. Singer, E.J. Holmgard, A.R. Hall, T.I. Williams, Oxford University Press 1958.

8 Eksperyment z ptakiem w próżni- na fali zainteresowania próżnią po wynalezieniu pompy próżniowej przez Otto van Guericke c.1650 National Gallery, London, Joseph Wright of Derby : "An Experiment on a Bird in the Air Pump", 1768 Takie doświadczenia pierwszy przeprowadził Robert Boyle, ok. 1660:

9 Wydajnosc % Szesnaście koni nie jest w stanie pokonać sił, których źródłem jest ciśnienie atmosferyczne, Sprawność maszyny Otto parowej von Guericke, Regensburg, c Pascal Toricelli Boyle Mariotte Guericke Huyghens Hooke Newton Leibnitz Lata The History of Technology, ed. Ch. Singer..., Oxford Univ. Press. 1958

10 Próżnia wciąga tłok do cylindra z potężną siłą Otto von Guericke, eksperyment ratyzboński

11 Eksperymenty z próżnią Wydajnosc % Newcomen Pierwsze maszyny parowe Newcomena zwane również atmosferycznymi były maszynami próżniowymi Długość cylindra: ~2m Średnica cylindra: ~1 m 12 cykli /min ~ 5 kw Sprawność % Newcomen, ok Lata

12 Wydajnosc % Watt Maszyna z zewnętrznym kondenserem pary Watt, 1780 Sprawność 3-4% (z zasady dla maszyny próżniowej max. 6%, bo entalpia parowania: H =U +pv : pracuje tylko czynnik pv ) Lata J. Watt nie wynalazł maszyny parowej a tylko zewnętrzny kondenser. Inspiracją były badania dlaczego zmniejszone maszyny Newcomena nie działają=> straty ciepła=> związek ciepła z pracą

13 Wydajnosc % Trevuithick Maszyny wysokociśnie- -niowe i złożone Maszyny wysokociśnieniowe i złożone 1800 Trevithick Woolf Lata

14 Cylinder silnika tłokowego cyklicznie ogrzewa się i ochładza rozkład temperatury turbiny jest stały w czasie => turbina nie pobiera ciepła na próżno Charles Parson, Turbinia 1897, samowolna demonstracja możliwości turbiny parowej na oczach królowej brytyjskiej i całego dowództwa floty turbiny parowe sprawność do 40%

15 Sprawnosc % Rozwój maszyny parowej a odkrycie uniwersalnej zasady zachowania energii H. Helmholtz 10 W. Thomson (Kelvin) R. Clausius J. Mayer 5 J. Joule E. Clapeyron A. Lavoisier N. Carnot Lata T. Young Biografie badaczy: zob. np. scienceworld.wolfram.com Odkrycie zasady zachowania energii

16 ... The steam engine needs the fuel which the vegetable life yields, whether it be the still active life of the surrounding vegetation, or the extinct life which has produced the immense coal deposits in the depths of the earth. The forces of man and animals must be restored by nourishment; all nourishment comes ultimately from the vegetable kingdom, and leads us back to the same source.you see then that when we inquire into the origin of the moving forces which we take into our service, we are thrown back upon the meteorological processes in the earth's atmosphere, on the life of plants in general, and on the Sun. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz: On The Conservation Of Force, All the available forms of energy can be readily traced back to a common origin in the potential energy of a universe of nebulous substance (chaos), consisting of infinitely diffused matter of immeasurably slight density, whose "energy of position" had been, since the creation, gradually going through a process of transformation into the several forms of kinetic and potential energy above specified, through intermediate methods of action which are usually still in operation, such as the potential energy of chemical affinity, and the kinetic forms of energy seen in solar radiation, the rotation of the earth, and the heat of its interior. Robert H. Thurston, A History of the Growth of the Steam Engine, 1878

17 Co wynika z tej historii? -technologia inspirowała naukę i sama wspomagała swój dalszy rozwój stąd eksponencjalny wzrost wydajności maszyn -Pozornie bezużyteczne badania dotyczące próżni doprowadziły do powstania silników cieplnych (również takich bez próżni) a następnie do ogromnego postępu wiedzy o świecie -Dalekosiężne skutki doświadczeń z próżnią i parą z pewnością przerosły wszelkie wyobrażenia Otto van Guericke, Watt a i ich współczesnych (nie mówiąc już o magiku który udusił ptaka w próżni - patrz obraz Joseph a Wright of Derby ).

18 Dlaczego nanotechnologia

19 miliardów ludzi (?) miliardów ludzi Zakładając optymistycznie, że świat dalej będzie się rozwijał, konsumpcja energii (obecnie 15 TW) zwiększy się co najmniej dwukrotnie w perspektywie lat W krajach rozwiniętych (USA, Europa) konsumpcja energii na głowę przewyższa kilkudziesięciokrotnie zużycie na głowę mieszkańca Indii Potrzeba energii dla 10 miliardów ludzi w roku prawdopodobnie kilkadziesiąt terawatów z czystych źródeł

20 Problem z energią (problem z czystą wodą, czystym powietrzem to Buicks!!

21 165,000 TW mocy promienistej ze Słońca pada tylko na Ziemię ( teraz potrzebujemy 15 TW)

22 Wyzwania dla nanotechnologii konferencja przy Rice University May Ogniwa fotowoltaiczne: 100 x redukcja kosztów wytwarzania. 2. Redukcja fotokatalityczna CO 2 => metanol. 3. Fotodysocjacja wody => H Ogniwa paliwowe: redukcja kosztów x, usprawnienie pracy w niskich temperaturach. 5. Baterie ogniw chemicznych: zwiększenie pojemności min. 10 x => transport 6. Magazynowanie H 2 : odwracalna chemisorpcja 7. Transkontynentalne kable przesyłowe (nadprzewodniki, przewodniki kwantowe) => globalna sieć energetyczna 8. Wydajne źródła światła 9. Nanoelektronika => komputery, sensory 10. Robotyka = np. dla serwisowania orbitalnych elektrowni słonecznych 11. Superlekkie, superwytrzymałe materiały dla konstrukcji orbitalnych

23 Oczekiwania wobec nanotechnologii (rozwinięcie) Materiały i produkcja: Inteligentne materiały, wytwarzanie przedmiotów o zaprogramowanych kształtach nie wymagających obróbki, supermateriały (superwytrzymałe, supertwarde, superlekkie superhydrofobowe, superadhezyjne, supersmarne ) Elektronika i Komputery: Wielkie moce obliczeniowe i pojemności pamięci. Oszczędność energii zasilania. Systemy komunikacyjne o wielkich częstotliwościach. Terabitowe pamięci. Zintegrowane systemy nanosensorów w celu monitorowania i optymalizacji pracy urządzeń (przykład z żywych organizmów). Nowe technologie obliczeniowe komputery kwantowe, układy na pojedynczych molekułach. Elektronika terahercowa. Medycyna i Zdrowie: Szybkie sekwencjonowanie DNA, nowe leki, nowe sposoby dostarczania leków, sztuczne tkanki-protezy wzroku i słuchu, sensory diagnostyczne służace wykrywaniu chorób i monitorowaniu organizmu.

24 Oczekiwania wobec nanotechnologii Aeronautyka i eksploracja kosmosu: Lekkie wytrzymałe materiałe lekkie satelity i statki powietrzne, materiały stabilne termicznie, winda orbitalna Energia i środowisko: Zielona energetyka: ogniwa solarne, dysocjacja wody, magazynowanie wodoru, ogniwa paliwowe, niskostratne sieci przesyłowe, technologie produkcji przyjazne środowisku (brak odpadów), efektywne katalizatory, filtry nm, lekkie nanokompozyty zastępujące stal, opony odporne na ścieranie (bez sadzy), nanofiltry dla rafinacji paliw jądrowych. Biotechnologia i rolnictwo: Integracja biologicznych elementów w materiałach syntetycznych, biosynteza w celu wytwarzania nowych leków, odżywianie i ochrona roślin przez biodegradowalne kompleksy zaprojektowane na poziomie molekularnym, modyfikacje genetyczne, sekwencjonowanie DNA

25 Oczekiwania wobec nanotechnologii Bezpieczeństwo i obrona: Rzeczywistość wirtualna (bo nowe komputery), automaty i roboty pola walki, elektronika terahercowa, sensory chemiczne/biologiczne/radiacyjne, Nauka i edukacja: Wzajemne wzmocnienie nauk przyrodniczych poprzez interdyscyplinarność nanotechnologii. Nowe techniki badawcze, nowe pola badań, wielkie moce obliczeniowe dla modelowania,

26 Krótka historia nanotechnologii

27 Mowa założycielska nanotechnologii There's Plenty of Room at the Bottom Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? Let's see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica. R. Feynmann

28

29 1960 Wykład Feynmann a o miniaturyzacji There is plenty of room at the bottom 1968 Alfred Cho and John Arthur z Bell Labs demonstrują technikę epitaksji z wiązki molekularnej która pozwala nakładać nawet pojedyncze warstwy atomowe na powierzchniach Norio Taniguchi, Uniwersytet w Tokio wprowadza słowo nanotechnologia 1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer budują skaningowy mikroskop tunelowy, który umożliwia obrazowanie pojedynczych atomów (nagroda Nobla) Robert Curl, Harold Kroto i Richard Smalley odkrywają fulereny molekuły węgla o średnicach około 1 nm Nagroda Nobla dla von Klitzing a za odkrycie kwantowego efektu Halla 1989 Donald Eiger z układa napis IBM z pojedynczych atomów 1991 Sumio Iijima odkrywa nanorurki węglowe Nagroda Nobla dla Roberta Laughlina, Horsta Störmera and Daniela Tsui za odkrycie i wyjaśnienie ułamkowego kwantowego efektu Halla

30 1998 W Delft Univ of Technolgy w Holandii zbudowano tranzystor na bazie nanorurki węglowej Odkrycie zjawiska gigantycznej magnetorezystancji 1999 James Tour i Mark Reed z Yale demonstrują przełączniki oparte na pojedynczych molekułach (pomiędzy ostrzami) 2000 Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna (National Nantotechnology Initiative)- badania w kierunku nanotechnologii wsparte znaczącymi funduszami w Stanach Zjednoczonych (nieco później w Japonii i Europie) Eigler z IBM demonstruje miraż kwantowy umieszczając magnetyczny atom w eliptycznym pierścieniu atomów na powierzchni IBM/Delft Univ. demonstrują układy logiczne na nanorurkach węglowych 2002 IBM pamięć masowa o pojemności 1 Tbit/cal Novoselov i Geim separują grafen z grafitu 2005 Rozmiary tranzystorów FET w procesorach i pamięciach (Intel i inni) schodzą poniżej 100 nm (w domenę nanotechnologii) 2007 Fert i Grunberger nagroda Nobla za gigantyczną magnetorezystancję 2010 Novoselov i Geim nagroda Nobla za badania nad grafenem

31 Przykładowe nanostruktury

32 Molekuły organiczne otrzymywane na drodze syntezy chemicznej 140 pm phenantrene chrysene 240 pm 280 pm 0.96 nm naphtacen 0.7.nm 0.84 nm benzopyren koronen pyrene 0.84 nm 0.72nm 0.7 nm 1.2 nm triphenylene 0.7 nm pentacen

33 Duże czastki nieorganiczne mokra synteza chemiczna Np.: Cu 146 Se 73 (PPh 3 ) 30 Grupa pasywacyjna fosforan trójfenylu Fenske et al., 1991

34 Materiały warstwowe: Yttrium barium copper oxide, (YBCO) i inne Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (nanoskalowe komórki elementarne sieci krystalicznej) YBa 2 Cu 3 O 7 a = 3.82, b = 3.89, and c = Å T p =93 K Stosowane w magnesach nadprzewodzących do MRI, w urządzeniach lewitujacych, w taśmach przewodzących prąd (głównie BSCCO Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O 8, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ) W takich materiałach elektrony mogą być uwięzione w specyficznych płaszczyznach => charakter 2D (nano)

35 Nanocząstki (koloidy) złota - otrzymywane poprzez reakcje w roztworach z dodatkiem surfaktantów 50 nm Kyoungweon Park, Georgia Institute of Technology

36 Nanorurki węglowe, fulereny i grafen (wiele różnych metod otrzymywania) SWNT (Carbon Nanotubes: Preparation and Properties ed. Ebbesen, CRC. 1997), technika obrazowania SEM MWNT (S. Iijima, Nature, 354, 56 (1991)) technika obrazowania STM

37 Struktury stojące (pionowe druty) z różnych materiałów (metody CVD, VLS) Huijuan Zhou of the University of Karlsruhe (nanolasery na bazie drutów stojących ZnO) Architektury 3D nanodrutów (metoda VLS), Kimberly Dick, Lund Univ.

38 Ultracienkie warstwy róznych materiałów granice pomiędzy roznymi obszarami w zasadzie atomowo gladkie każdy atom jest na swoim miejscu (metoda MBE) Simone Montanari PhD thesis (2005) University of Cambridge

39 Układy warstwowe ( dojrzałe zastosowania ) np. LED

40 Układy warstwowe (dojrzałe zastosowania): ogniwa fotowoltaiczne

41 elektronika wielkiej skali integracji TEM wzdłuż płetwy FINFET Intela 22 nm

42 Nanokropki (różne materiały) Nanocząstki CdS. Oświetlony światłem białym roztwór koloidalny z nanoczastkami. Wybarwienie zależy od rozmiarów nanokropek w roztworze

43 Inne przykładowe nanostruktury Obrazy uporządkowanych układów atomów Fe na powierzchni miedzi (111) Skonstruowane atom-po-atomie za pomoca mikroskopu STM IBM/Eigler

44 nanostruktury - powierzchnie biomimetyczne (naśladuje liść lotosu) FET Obraz SEM układu nanorurek węglowych (a) pokrytych PTFE (b). Otrzymana powierzchnia ma właściwości superhydrofobowe (c). K.K.S. Lau, Nano Lett. 3, 1701 (2003)

45 Ciekawostki

46 Ciekawostki (nanotechnologia w średniowieczu?): średniowieczne szkła barwne Szkło barwione w objętości poprzez nanoczastki złota o różnych rozmiarach dla różnych kolorów. Sainte Chapelle na Ile de la City, Paryż

47 Ciekawostki (nanotechnologia w średniowieczu?): Stal damasceńska Stal o niezrównanej( również w dzisiejszych kategoriach) wytrzymałosci i gietkości. Zawiera ok % węgla. Składa się z wstęg fazy martenzytycznej przedzielonych warstwami twardymi węglików (cementytu) wysegregowanych w procesie wielokrotnego przekuwania. Materiał wyjściowy otrzymywano w wyniku wyżarzania rzadkiej rudy zawierającej domieszki wolframu znajdywanej w Indiach. W stali damasceńskiej znaleziono również nanorurki węglowe. Sztuka produkcji tego materiału zaginęła około roku 1750 po wyczerpaniu się złóż odpowiedniej rudy journal JOM, 50 (9) (1998), pp