Jak TO działa? Nanotechnologia. TRENDY: Prawo Moore a. Kwietniowa Wiedza i Życie 2010

Transkrypt

1 Nanotechnologia Jak TO działa? Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: ******* Wydział Fizyki UW 2 Kwietniowa Wiedza i Życie 2010 TRENDY: Prawo Moore a Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18 miesięcy. Rozmiar liniowy komponentów również zmniejsza się wykładniczo w czasie. Te trendy nie mogą być kontynuowane w nieskończoność. Co zastąpi technologię Si? Z czego będzie wynikała ta zmiana technologii? 3 Źródło: Intel 4 1

2 TRENDY: Prawo Moore a TRENDY: Prawo Moore a? nanotechnologia, memrystory komputery kwantowe nanotechnologia grafen HP materiały organiczne koniec prawa Moore a Źródło: Intel Źródło: Intel 5 6 Nanotechnologia Nanotechnologia , Nauka Inżynieria Technologia b a a,b,c < 100 nm c 8 2

3 Nanotechnologia Nanotechnologia w kulturze Richard P. Feynman, 1959 There's Plenty of Room at the Bottom Annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) Norio Taniguchi of Tokyo science University first defined nanotechnology in 1974 "Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule." Kim Eric Drexler, 1986 Engines of Creation (Grey goo) Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation 9 10 Nanotechnologia na co dzień Pokrycia NANO Motoryzacja (Hummer H2 sport utility truck) Budownictwo Samoczyszczący się beton ipod Nano Elektronika Wyświetlacze OLED Ubrania (Nano Tex) AGD Samoczyszcząca się lodówka Samsung Nano SilverSeal Kosmetyki Liść lotosu, photo: Y T Cheng na co dzień Żuk pustynny z Namib Sport Nature 11 Scientific American 12 3

4 Nanotechnologia na co dzień Nanotechnologia na co dzień The principal applications of any sufficiently new and innovative technology always have been and will continue to be applications created by that technology. Herbert Krömer The $585 suits that went on sale today (October 8, 2009) are treated with Titanium Dioxide, a chemical compound commonly used in cosmetics and toothpaste. According to company spokes person Junko Hirohata, TiO2 has photocatalytic properties, meaning that it when exposed to light it breaks down organic materials. Antiviral Business Suits Fight H1N1 Swine Flu With Science & Style Główne zastosowanie każdej nowej i innowacyjnej technologii zawsze było i nadal będzie zastosowaniem stworzonym przez tę technologie Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów mili mikro nano

5 Dlaczego XXI w? Nanotechnologia 5 nm Parowóz dziejów Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) USD mili mikro nano Nanotechnologia Nanotechnologia 5 nm 5 nm 22 cm 22 cm 3,474 km

6 Nanotechnologia Efekty kwantowe CdSe/ZnS 1 10 nm Studnia skończona Wewnątrz studni: 2 2 2, cos sin Bariera: 2 exp Warunki zszycia: 1 1 sin 2 cos 2 exp Figure 5. Schematic diagrams depicting the evolution of the conduction band structure in the transverse direction: (a) double heterostructure, (b) separate confinement heterostructure (SCH), (c) graded index separate confinement heterostructure (GRIN SCH), (d) single quantum well heterostructure (QWH), and (e) multiple quantum well (MQW). The development of the semiconductor laser diode after the first demonstration in 1962 J JColeman Semicond. Sci. Technol. 27 (2012)

7 Potencjał harmoniczny 2D Potencjał harmoniczny 2D CB p Harmonic oscillator model: s, p, d, shells s Allowed interband transition The electronic structure of a strained InAs (110) pyramidal quantum dot embedded within GaAs. The strain modified band offsets are shown above the atomic structure. They exhibit a well for both heavy holes and electrons. Isosurface plots of the four highest hole states and four lowest electron states, as obtained from pseudopotential calculations, appear on the left and right. CBM means conduction band minimum and VBM valence band minimum VB p s PL Intensity s p d f Wetting layer 0.1mW 1mW 0.5 mw 5mW 10mW GaAs substrate MRS Bulletin Vol. 23 No. 2, p. 35 (1998). Energy (mev) Potencjał harmoniczny 2D THE ARTICLE 6 Experiment Calculations PL Intensity (normalized) 4 2 #2154 T = 4.2K B = 0T s p WL d f Power C B Be Li He H Energy [ev] Adam Babiński

8 Sferyczne kropki kwantowe Przerwa energetyczna w sferycznych kropkach kwantowych [Brus, L. E. J. Phys. Chem. 1986, 90, 2555, Brus. L. E. J. Chem. Phys. 1984, 80, 4403] Sferyczne kropki kwantowe Przerwa energetyczna w sferycznych kropkach kwantowych [Brus, L. E. J. Phys. Chem. 1986, 90, 2555, Brus. L. E. J. Chem. Phys. 1984, 80, 4403] średnica Lokalizacja kwantowa (quantum localization): mniejsza cząstka więcej wektorów potrzebnych do opisu stanu nośnika. Czyli cząstka w studni! ZWIĘKSZA energie przerwy 2 2 Część kulombowska oddz. z uwzględnieniem polaryzacji (sfera) OBNIŻA energię. Potencjał obliczony dla funkcji w postaci Ψ ( 1) : Ψ sin TRENDY: Prawo Moore a Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18 miesięcy. TRENDY: Prawo Moore a Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18 miesięcy. Rozmiar liniowy komponentów również zmniejsza się wykładniczo w czasie. Te trendy nie mogą być kontynuowane w nieskończoność. Co zastąpi technologię Si? Z czego będzie wynikała ta zmiana technologii? Źródło: Intel 31 Źródło: Intel 32 8

9 Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Bottom up Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner

10 Nano i bio (gekon) Nano+bio 38 Nano i bio (gekon) Nano i bio (gekon) 50x 100x

11 Nano i bio (gekon) Nano i bio (gekon) 200x 400x Nano i bio (gekon) Nano i bio (gekon) 800x 1500x

12 Nano i bio (gekon) Nano i bio (gekon) 3000x 6000x Nano i bio (gekon) Nano i bio (gekon) 6000x 47 Nature 448, (19 July 2007) 48 12

13 Nano i bio (gekon) Nano i bio (DNA) Nano i bio (DNA) Nano i bio (DNA)

14 Nano i bio (DNA) Nano i bio (DNA) Nano i bio (DNA) Nano i bio (DNA)

15 Nano i bio Nano i bio M13 bacteriophage M13 bacteriophage Nano i bio Nano i bio

16 Nano i bio Nano i bio ZnS Alivisatos A., Małe może więcej. Świat nauki11, s (2001). CoPt Nano i bio Nano i bio Nano Co Nano Co Synteza: Paweł Majewski, TEM: Jolanta Borysiuk

17 Nano i bio Nano i bio Bacillus megatherium + nano Fe 3 O 4 65 Chad Mirkin z Northwestern University Brookhaven National Laboratory (BNL) 66 Pokrycia NANO Nowe urządzenia Żuk pustynny z Namib Liść lotosu, photo: Y T Cheng Nature 67 Scientific American 68 17

18 Pokrycia NANO Nano barcode University of Wisconsin Madison and Bell Laboratories Nan Rong Chiou, Chunmeng Lu, Jingjiao Guan, L. James Lee & Arthur J. Epstein Nature Nanotechnology 2, (2007) Published online: 27 May Nowe urządzenia Fotonika Scientific American, Nanoradio

19 Biologiczne kryształy fotoniczne Biologiczne kryształy fotoniczne Magnetyczne kryształy fotoniczne Magnetyczne kryształy fotoniczne Fe 3 O nm

20 Magnetyczne kryształy fotoniczne Zawiesina nanomagnesów w polu magnetycznym Co dalej? Nanotechnologia kontrola materii w nanoskali jest szansą dla nauk biologicznych i medycznych w badaniach, diagnostyce i terapii. Badania nad nanotechnologią i jej zastosowaniami prowadzą do problemów etycznych (ale jakie badania nie prowadzą?) Istnieją technologie niebezpieczne i akceptowalne społecznie (np. samochody) i bezpieczne i nieakceptowalne społecznie (np. energetyka jądrowa, GMO) Nowe technologie wymagają społecznej akceptacji powinni o nią zabiegać sami naukowcy Dbanie o bezpieczeństwo nowych technologii jest w interesie społeczeństwa i samych naukowców Piotr Habdas Chains of 1 million magnetic nanoparticles have been assembled and disassembled in a solution of suspended particles in a controlled way, scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST) report Podsumowanie Podsumowanie Jacek Majewski

21 Podsumowanie Co dalej? Jaki nowy? Ten ich to ten grat! Internat? Inter net?!! INTERNET!!! Parowóz dziejów nano Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) USD mili mikro Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. Granice miniaturyzacji? State of the Art: Electronic Circuits From macroscopic copper ( 1 μm) Kees Hummelen University of Groningen to nanoscale electronics organic molecules ( nm) wire: X Y diode: CH 2 X Y Source CH 2 25 nm MOSFET Produkcja od 2008 transistor: (FET) Gate CH 2 C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 4,2 nm MOSFET Produkcja??? IEEE Trans Electron Dev 50(9), terminal complex logic elements 3 and 4 terminal junction barrier: CH 2 CH 2 CH 2 Drain Jaszowiec

22 Ile bitów na atom? Illustration showing how to transform an electron from its usual state in an atom (a), in which it exists in a cloud of possible positions surrounding the positively charged nucleus (indicated by a plus sign), to a "Trojan state" (f), in which the electron orbits the nucleus like a planet around the sun. The name comes from Trojan asteroids, the asteroids which orbit the sun in the same orbit as Jupiter but in a place either ahead or behind the planet. To create a Trojan electron, researchers would first use laser light to put the electron into a "circular Rydberg state" in which the electron exists in a thin donut of possible positions (b). Then, a microwave beam would subsequently change the shape of the donut (c e), shrinking the range of possible positions for the electron and ultimately causing the electron to shrink into a small droplet (or alternatively, a shortened sausage) of possible positions. This droplet then orbits the nucleus like a planet around the sun. Although not yet achieved experimentally, researchers believe that current technology could be applied to create Trojan electrons. The figure is not to scale the circular Rydberg and Trojan states are actually hundreds of thousands of times farther away from the nucleus. In addition, the figure essentially shows just the top half of the probability cloud for the Trojan electron. In recent computer simulations, researchers formed the word "optics" by calculating the electron cloud for a specially prepared n=50 state. In the image above, the intensity of the letters represents the relative probability for finding the electron at that place, and the color denotes the phase (relative point in the cycle) of the electron wave associated with that point in the cloud. (Image courtesy Carlos Stroud, University of Rochester, and Michael Noel.) This research is described by Carlos Stroud and Michael Noel in the April 1999 issue of Optics and Photonics News. Synteza kropek kwantowych nano bio CdSe/ZnS 1 10 nm

23 Chemia! Sferyczne kropki kwantowe medicine/gallery/pictures/scientific pictures.php Sferyczne kropki kwantowe Nanorurki, nanowąsy i kropki TiO2 nanotube materials ZnO nanocząstka Au Nanorurka Si DNA

24 Kropki kwantowe + bio Kropki kwantowe + bio A PbSe Quantum Dot as seen through a transmission electon microscope (TEM) Science, Vol 300, Issue 5616, 80 81, 4 April Kropki kwantowe + bio Magnetyczne kropki kwantowe Science, Vol 300, Issue 5616, 80 81, 4 April 2003 Jacek Szczytko Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange

25 Magnetyczne kropki kwantowe Magnetyczne kropki kwantowe nano Co nano Co Jacek Szczytko Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków Ewa Górecka, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska, Adam Krówczyński Magnetyczne kropki kwantowe Magnetyczne kropki kwantowe Akademia Górniczo Hutnicza

26 Magnetyczne kropki kwantowe Magnetyczne kropki kwantowe C. Buzea et al. Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity. Biointerphases, 2007; 102 2/4. Zagrożenia Nowe urządzenia Seria eksplozji nanorurek użytych do likwidacji komórek nowotworowych Paul Karason Glukometr z nanorurek, University of Illinois Argyria 103 Heath J., Davis M., Hood L., Rak w sieci nano, Świat Nauki 3, s (2009)

27 Sferyczne kropki kwantowe Sferyczne kropki kwantowe In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots Xiaohu Gao Current Opinion in Biotechnology 2005, 16:63 72 Luminescent quantum dots for multiplexed biological detection and imaging W. Chan et al. Current Opinion in Biotechnology 2002, 13: Sferyczne kropki kwantowe Synthesis of multi shell nanocrystals by a single step coating process, Nanotechnology 2006 Sferyczne kropki kwantowe In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots Xiaohu Gao Current Opinion in Biotechnology 2005, 16:63 72 Quantum Yield = wydajność kwantowa Wydajność kwantową fluorescencji definiuje się jako stosunek liczby wyemitowanych fotonów do liczby fotonów promieniowania wzbudzającego, pochłoniętych przez substancję w tym samym czasie i tej samej objętości

28 Sferyczne kropki kwantowe Current Opinion in Chemical Biology 2006, 10: Nanoscale controlled self assembled monolayers and quantum dots Sferyczne kropki kwantowe 109 In vivo molecular and cellular imaging with quantum dots Xiaohu Gao Current Opinion in Biotechnology 2005, 16: Sferyczne kropki kwantowe An Ancient Model Organism to Test In Vivo Novel Functional Nanocrystals By Claudia Tortiglione "Biomedical Engineering From Theory to Applications", Edited by Reza Fazel Rezai, Figure 1. Anatomical structure of Hydra vulgaris Figure 18. Labelling Hydra with nanocrystals engineering from theory to applications/an ancientmodel organism to test in vivo novel functional nanocrystals Sferyczne kropki kwantowe Justin Galloway

29 Konstrukcja diagramów pasmowych Konstrukcja diagramów pasmowych Przesuwamy tymczasowe linie w i w, a następnie łączymy ze sobą w miejscu heterozłącza. Pojawiające się nieciągłości dopełniają szkic heterozłącza Kwietniowa Wiedza i Życie 2010 Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner

30 Jak się robi heterostruktury? Quantum Well E c Jak się robi heterostruktury? Wzrost warstw MBE jest monitorowany przez Reflection High Energy Electron Diffraction (REED). Komputer steruje przesłonami (shutterami) na froncie podgrzewanych komórek efuzyjnych, co pozwala na precyzyjną kontrolę wzrostu do poziomu pojedynczej warstwy atomowej. Wzrost warstw z jamami kwantowymi (quantum wells), kropek kwantowych (quantum dots) struktury LD, LED. t D(E) E 1 E c E 0 MBE Osadzanie z atomową precyzją warstw o różnym składzie lub domieszkowaniu 2D E Hubert J. Krenner Jak się robi heterostruktury? komora UHV wzrostu materiałów II-VI (Zn, Cd, Mg, S, Se, Te, Mn, Co, ZnCl 2, N-plazma) komora UHV przygotowania podłoży (odgazowanie powierzchni) komora załadunkowa komora UHV wzrostu materiałów III-V (Ga, Al, In, As, Sb, N-plazma, Si lub Te, Be lub Zn, Mn lub Cr lub Co) Jak się robi heterostruktury? Urządzenie MBE - do epitaksji z wiązek molekularnych (2 komory wzrostu) producent SVTA (USA). Zakup przez Wydział Fizyki w r. 2010, program CePT

31 Jak się robi heterostruktury? Jak się robi heterostruktury? MBE na Wydziale Fizyki UW 121 MBE na Wydziale Fizyki UW 122 Jak się robi heterostruktury? Reaktor Metal-Organic Chemical Vapour Epitaxy (MOCVD) w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego Studnia kwantowa Lasery półprzewodnikowe Aixtron CCS 3x2 Heterostruktury GaInSb, AlGaInAs and AlGaN. 123 Dioda laserowa zawiera ok. 400 różnych warstw

32 Studnia kwantowa Studnia kwantowa Więcej: Philips Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Druty kwantowe Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner

33 Druty kwantowe Struktury niskowymiarowe Low dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe halle.mpg.de/~mbe/ Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa Hubert J. Krenner Synteza kropek kwantowych Quantum Dot Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München 0 cgs e 0 1 X

34 Synteza kropek kwantowych Energia Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 12.8% CdSe/ZnS 1 10 nm Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja

35 Top down Jak To jest zrobione? 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ tranzystorów 3. Podłoża 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, kroków procesów Vincent Laforet/The New York Times Jak To jest zrobione? Focus Ion Beam 2µm Nano Tech Web [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] 7µm (3 hours to make) = 780nm resolution = 150nm JEM 9320 Focused Ion Beam System

36 Jak To jest zrobione? Nanotubes as molecular quantum wires Nanotechnologia CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top down, czyli (nano)technologia Bottom up, czyli samoorganizacja