NanoTechnologia Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego Zakład Fizyki Ciała Stałego

Transkrypt

1 NanoTechnologia Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego Zakład Fizyki Ciała Stałego. Nanotechnologia na codzień 2. Jak działa komputer? a) Trochę logiki b) Od bramki do bramki c) Jak działa tranzystor 3. Prawo Moora i jego konsekwencje a) Więcej! Szybciej! Taniej! b) Wyzwania i problemy 4. Nanotechnologie a) JAK? a) Bottom-up, czyli samoorganizacja b) Top-down, czyli (nano)technologia b) CO? a) Studnie, druty, kropki b) Nanorurki i nanomaszyny c) Bio IBM 36 atomów kobaltu na podłoŝu z miedzi tworzy korale. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc kwantowy miraŝ. b NanoTechnologia -9, a,b,c < nm a c Nauka InŜynieria Technologia Nanotechnologia w kulturze Nanotechnologia na codzień Motoryzacja (Hummer H2 sport utility truck) Budownictwo Samoczyszczący się beton Elektronika Wyświetlacze OLED Ubrania (Nano-Tex) Zdrowie (filtr krwinek) Kosmetyki Sport

2 Nanotechnologia na codzień AGD Samoczyszcząca się lodówka Samsung Nano SilverSeal AGD Wyświetlacz nano CRT Carbon Nanotube (CNT) Motorola 25 NanoDynamics Revolution Energia Ogniwa paliwowe NEC Corp. Nowe materiały NASA Dlaczego XXI w? mili mikro nano Dlaczego XXI w? Jak to działa? Trochę logiki NOT OR AND cdn... WEJŚCIE WYJŚCIE Sumator: = = Parowóz dziejów Przez ostatnie 4 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 2 USD mili mikro nano = = = 2 = = 3 = = 4 = - 2

3 Jak to działa? Trochę logiki NOT OR AND WEJŚCIE WYJŚCIE 2 Od bramki do bramki. AND OR AND OR Od bramki do bramki. Jak działa tranzystor? Lampa próŝniowa jako przełącznik Potrzeba było przełączników: szybkich i niezawodnych. Na początku (r)ewolucji koszty, rozmiar, pobór mocy, łatwość obsługi, uniwersalność, skalowalność, kompatybilność nie miały duŝego znaczenia... Eniac - max. 6h 3

4 958 Trochę historii Pierwszy układ scalony (IC Integrated Circuit) wykonany przez Jacka Kilby ego na germanie w Texas Instruments (2 Nagroda Nobla z fizyki). NiezaleŜnie Robert Noyce (Fairchild) zbudował IC na krzemie. Źródło: (985) i88 (974) 286 (982) i888 (978) IBM PC Pentium (993) Pentium III (999) Źródło: Intel Pentium 4 (2) 42 tranzystorów technologia,8 mikrona. Zegar,5 GHz 6 warstw Rozmiar procesorów Intel (w skali) Nanotechnologia Core Duo Extreme X68 (26) 29 tranzystorów technologia 65 nm Zegar 2,93 GHz 8 warstw Moc 75 W Pentium D 9 (26) 376 tranzystorów technologia 65 nm Zegar 3,2 GHz 8 warstw Moc 5W AMD Athlon 64 FX-62 (26) tranzystorów technologia 9 nm. Zegar 2,8 GHz 9 warstw Moc 25W Źródło: Intel, 4

5 TRENDY: Pierwsze Prawo Moore a Źródło: Intel Rozmiary Wirus Ebola 6 nm Rhinowirus 3 nm Ebola Nanotechnologia Średnica ludzkiego włosa nm Dł. fali światła widzialnego Najnowszy tranzystor Intela nm Promień Bohra,5 nm Średnica krwinki czerwonej Średnica DNA, nanorurek 2 nm Źródło: 5-Processing_Technology Nanotechnologia Nanotechnologia,2 nm SiO 2 9 nm generation transistor (Intel 23) Źródło: Intel Źródło: Intel 5

6 Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów Przez ostatnie 4 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 2 USD 2 nano 98 mikro 96 mili TRENDY: Pierwsze Prawo Moore a Ilość komponentów (tranzystory, połączenia, izolacje itd.) w IC podwaja się co około 8 miesięcy. Rozmiar liniowy komponentów równieŝ zmniejsza się wykładniczo w czasie. Te trendy nie mogą być kontynuowane w nieskończoność. Co zastąpi technologię Si? Z czego będzie wynikała ta zmiana technologii? EKONOMIA Źródło: Intel PROBLEM: Drugie Prawo Moore a Granice miniaturyzacji? Myślimy, Ŝe tranzystor jest zbudowany tak. 25 nm MOSFET Produkcja od 28 Koszt pojedynczego komponentu maleje wykładniczo o ok. 35% na rok. ALE: Koszt fabryki produkującej chipy rośnie takŝe wykładniczo! W 225 roku fabryka procesorów kosztowałaby bilion USD ( 2 USD) 4,2 nm MOSFET Produkcja??? Ten trend w oczywisty sposób równieŝ nie moŝe być kontynuowany! Źródło: Intel Asen Asenov, Glasgow David Williams Hitachi-Cambridge IEEE Trans Electron Dev 5(9), 837 (23) 6

7 Nanotechnologie JAK? Bottom-up, czyli samoorganizacja Top-down, czyli (nano)technologia CO? Studnie, druty, kropki Nanorurki i nanomaszyny Bottom-up Wydział (nano)chemii UW Nanorurki, nanowąsy i kropki TiO2 nanotube materials ZnO nanocząstka Au Nanorurka Si DNA 7

8 Magnetyczne QD s Jacek Szczytko Farby Stand-alone QD Paint-On Lasers By Aria Pearson ScienceNOW Daily News 2 April 26 4 nm PbS QD Now, a team at the University of Toronto in Canada [...] the researchers suspended quantum dots--nanometer-sized particles of semiconductors--in a liquid and painted the suspension on the inside of a tiny glass tube. Energia ogniwa sloneczne Kropki + bio Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 2.8% A PbSe Quantum Dot as seen through a transmission electon microscope (TEM). 8

9 Kropki + bio Science, Vol 3, Issue 566, 8-8, 4 April 23 Kropki + bio Science, Vol 3, Issue 566, 8-8, 4 April 23 Nanorurki Nanorurki moŝna sobie wyobrazić jako warstwy atomów węgla (takie jak w graficie), które zostały zrolowane. RozróŜniamy orientacje: Armchair Zig-zag Chiral Winda do nieba Orientacja jest zdefiniowana przez wektor chiralny (n,m) c h = n a + m b J.Basak, D.Mitra, S.Sinha Carbon nanotube: the next generation sensors presentation Paweł Tomasz Pęczkowski 9

10 Nanomaszyny Large Gear Drives Small Gear Gear and Shaft Operation Powered Sharf Powered Gear Bio-nano-silnik (ATPaza) Nanoroboty Nano-samochód Y. Shira/Rice University They found the nanocar was quite stable on the surface remaining parked until the surface was heated above 7 C - presumably because of strong adhesion between the fullerene wheels and the underlying gold. Flat gold surface was used to prevent the nanocar actually roll around on its fullerene wheels, rather than slip like a car on ice. Between 7 C and 225 C, the researchers observed that the nanocar moved around by translational motion and pivoting. The translational motion was always in a direction perpendicular to the handcar s axle, indicating that it moves by rolling rather than sliding. Nano Tech Web

11 Top-down Vincent Laforet/The New York Times How do we make information processing circuits now?. Silicon technology predominates 2. Current circuits ~ 9 - transistors 3. Wafers - 3mm, ~ 3 chips 4. Photolithography, deposition, etching etc 5. Typically ~2 mask steps, 5-2 process steps Nanotubes as molecular quantum wires Nano Tech Web [ S. Kawata et al., Nature42, 697 (2) ] 7µm 2µm (3 hours to make) λ = 78nm resolution = 5nm

12 Nanotechnologie JAK? Bottom-up, czyli samoorganizacja Top-down, czyli (nano)technologia CO? Studnie, druty, kropki Nanorurki i nanomaszyny Studnie Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Druty Kropki t 2D D D DISCRETE ELECTRONIC STRUCTURE Hubert J. Krenner MOCVD Studnie Kwantowe Studnia kwantowa Lasery półprzewodnikowe E c t D(E) E FUW Pasteura 7 E c E MOCVD Osadzanie z atomową precyzją warstw o róŝnym składzie lub domieszkowaniu 2D E 2

13 Studnie Kwantowe Więcej: Studnie Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Druty Kropki t 2D D D DISCRETE ELECTRONIC STRUCTURE Hubert J. Krenner Druty Druty Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science 3

14 Druty 5 nm Si nanowire Studnie Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Druty Kropki t 2D D D DISCRETE ELECTRONIC STRUCTURE Hubert J. Krenner EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Wzrost kropek kwantowych Energy Quantum Dot = cgs hω = X SUBSTRATE (GaAs) Island formation α + = 2 β2 α Time Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München e -.25µm x.25µm TEM Defect-free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer Hubert J. Krenner 4

15 GaN/AlGaN QD s Wzrost K. Pakuła, a, AFM - Rafał BoŜek T=3K Minimum step~5 nm Maximum step ~ µm T=4.2K Minimum step~5 nm Maximum step ~ nm A.Babinski, et al. Physica E 26 (25) 9 FUW HoŜa 69 Doświadczenie 3 µ m.2- µ m c575 GaN/AlGaN QD s Nano i bio (gekon) PL Intensity (arb. units) czas energia 3,38 3,385 3,39 3,395 Energy (ev) czas µpl- Katarzyna Surowiecka et al. 5

16 Nano i bio (gekon) 5x x 2x 4x 8x 5x Nano i bio (gekon) 3x 6x Nano i bio (gekon) Biologiczne kryształy fotoniczne 6x Paweł Tomasz Pęczkowski 6

17 Nanotechnologie CENT Centrum Nauki i Technologii UW Centrum Naukowo Technologiczne UW Podziękowania Zakład Fizyki Ciała Stałego Nowe technologie Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl. Koniec technologii krzemowej? Prawo Moora i jego konsekwencje (czyli o postępie technologicznym) 2. Kwanty, stany, pasma (czyli mechanika kwantowa dla początkujących). 3. Miniaturyzujemy I (czyli nano jest trendy) 4. Minaturyzujemy II (czyli studnie, druty, kropki). 5. Miniaturyzujemy III (o nanorurkach). 6. Miniaturyzujemy IV (o nanomaszynach). 7. Komputery I (czyli o przyszłych informatykach) 8. Komputery II (czyli o przyszłych komputerach) 9. Kwantowa kryptografia i teleportacja I (czyli o splątaniu kwantowym).. Kwantowa kryptografia i teleportacja II (czyli o kodach i kluczach).. Optoelektronika (czyli o manipulowaniu światłem). 2. W smutnym kolorze blue (czyli o niebieskim laserze i białych diodach). 3. Spintronika stosowana. Dlaczego elektrony kręcą? (czyli o spinie) 4. Kolorowe obrazy (czyli o wyświetlaczach). 5. Czy komputer moŝe myśleć? 6. Prezentacja prac studentów Aula, WF HoŜa 69 Środy 7:5-9: Popularnonaukowy! Dialog z przyroda musi byc prowadzony w jezyku matematyki, w przeciwnym razie przyroda nie odpowiada na nasze pytania. Michał Heller 7