Nanostruktury krystaliczne Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/nt 1. Nanotechnologia na codzień 2. Prawo Moora i jego konsekwencje a) Więcej! Szybciej! Taniej! b) Wyzwania i problemy 3. Nanotechnologie a) CO? a) Studnie, druty, kropki b) JAK? a) Top-down, czyli (nano)technologia b) Bottom-up, czyli samoorganizacja c) Bio-technologia IBM 36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi tworzy korale kwantowe. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc kwantowy miraż.
NanoTechnologia 10-9 0,000 000 001 a Nauka Inżynieria Technologia b a,b,c < 100 nm c
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 www.sts.utexas.edu/projects/nanomodules/
Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów mikro nano mili
Nanotechnologia Intel Quad-Core Penryn series (2008) 800 000 000 tranzystorów technologia 45 nm Zegar max 3,33 GHz 9 warstw Moc ok. 65 W AMD Phenom X4 QUAD-Core (2008) 450 000 000 tranzystorów technologia 65 nm. Zegar max 2,6 GHz 11 warstw Moc 95 W -140 W
Nanotechnologia Rozmiary Wirus Ebola 600 nm Średnica ludzkiego włosa 100 000 nm Średnica krwinki czerwonej Dł. fali światła widzialnego Najnowszy tranzystor Intela 90 35 20 15 nm Średnica DNA, nanorurek 2nm Rhinowirus 30 nm Ebola http://www.brettrussell.com/personal/ebola.html Promień Bohra 0.01 nm Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Dlaczego XXI w? Parowóz dziejów Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 10 12 USD nano mikro mili
TRENDY: Pierwsze 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? EKONOMIA Źródło: Intel
Granice miniaturyzacji? Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. 25 nm MOSFET Produkcja od 2008 4,2 nm MOSFET Produkcja??? Asen Asenov, Glasgow David Williams Hitachi-Cambridge IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)
PROBLEM: Chłodzenie Gęstość mocy rośnie dramatycznie. 10 7 tranzystorów pracujących z częstością 1.5 GHz zużywa 130 W. Zakładając, że na tej samej powierzchni za jakiś czas będzie pracować 10 8 tranzystorów z częstością 10 GHz otrzymamy gęstość mocy na poziomie 10 kw/cm 2 (porównywalną gęstość mocy ma silnik rakietowy!)
Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja
Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa
MOCVD Studnia kwantowa E c t D(E) E 1 FUW Pasteura 7 E c E 0 MOCVD Osadzanie z atomową precyzją warstw o różnym składzie lub domieszkowaniu 2D E
Studnie Kwantowe Lasery półprzewodnikowe
Studnie Kwantowe Więcej: http://britneyspears.ac/lasers.htm
Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa
Druty
Druty
Druty
Druty
Druty
Druty http://gams.cam.nist.gov/hpcc/physics/nano.html http://www.photonics.com/spectra/research/xq/asp/preaid.82/qx/read.htm
Druty
Druty
Druty www.ece.odu.edu/g_seminar.htm http://www.mpi-halle.mpg.de/~mbe/ Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science
Druty
Druty
Druty
Hubert J. Krenner Struktury niskowymiarowe Low-dimensional Semiconductor Systems Studnie kwantowe Druty kwantowe Kropki kwantowe t 2D 1D 0D Dyskretna struktura elektronowa
Quantum Dot 0 cgs 1 0 X e - Hubert J. Krenner Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München
Hubert J. Krenner Wzrost kropek kwantowych EPITAXIAL LAYER (e.g. InAs) Energy 2 12 1 SUBSTRATE (GaAs) Island formation Time TEM 0.25µm x 0.25µm Defect-free semiconductor clusters on a 2D quantum well wetting layer
GaN/AlGaN QD s Wzrost K. Pakuła, AFM - Rafał Bożek
Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja
Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja
Top-down Vincent Laforet/The New York Times
W jaki sposób produkowane są układy scalone? 1. Dominuje technologia krzemowa 2. Obecne układy ~ 10 9-10 10 tranzystorów 3. Podłoża - 300mm, ~ 10 3 chipów 4. Fotolitografia, naświetlanie, trawienie etc 5. Typowo ~20 masek, 150-200 kroków procesów
Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) UV light source Shutter Alignment laser Shutter is closed during focus and alignment and removed during wafer exposure Reticle (may contain one or more die in the reticle field) Single field exposure, includes: focus, align, expose, step, and repeat process Projection lens (reduces the size of reticle field for presentation to the wafer surface) Wafer stage controls position of wafer in X, Y, Z, q Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Unexposed resist remains crosslinked and PAGs are inactive. UV Resist exposed to light dissolves in the developer chemical. Photoresist Oxide Substrate Exposed Unexposed PAG H + PAG PAG H + PAG PAG PAG PAG H + PAG PAG Pre-exposure + CA photoresist Acid-catalyzed reaction (during PEB) Post-exposure + CA photoresist Unchanged Post-develop + CA photoresist Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Nanotechnologia 1) STI etch 2) P-well implant 3) N-well implant 4) Poly gate etch 5) N + S/D implant 6) P + S/D implant 7) Oxide contact etch 8) Metal etch Resulting layers 4 2 1 5 6 3 7 8 Cross section Top view Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Nanotechnologia 1997 2006 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
Nanotechnologia 2006 Źródło: www.usna.edu/ee/ee452/lecturenotes/ 05-Processing_Technology
http://www.microscopyu.com/ Litografia Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.
Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: Intel
Nanotechnologia Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper) Źródło: Intel
Nanotechnologia
Nanotechnologia
http://www.microscopy.fsu.edu/ Litografia Imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.
Nanotechnologia Intel, 2003 Intel 2005 Litografia 90nm 65nm 45nm 32nm Produkcja 2003 2005 2007 2009
Natężenie Nanotechnologia l Położenie
Natężenie Nanotechnologia k 1 l Położenie
Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections
Nanotechnologia
Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections
Nanotechnologia OPC Optical Proximity Corrections
Nanotechnologia
Litografia Imersyjna
Litografia Imersyjna Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha) W najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc. Airy disks
Litografia Imersyjna http://www.smalltimes.com/articles/stm_print_screen.cfm?article_id=260007
Litografia Imersyjna http://www.almaden.ibm.com/st/chemistry/lithography/immersion/resist_development/ http://www.microelectronics.be/wwwinter/mediacenter/en/sr2005/html/142296.html
Litografia Imersyjna
Litografia Imersyjna
Inne
Litografia 3D Lasery ekscymerowe Electron-microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter-- approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the tiny strings would produce a high-pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at the submicroscopic level. (Image courtesy Dustin W. Carr and Harold G. Craighead, Cornell.)
Litografia 3D hn = E e E 0 Photonic Crystals:Periodic Surprises in Electromagnetism Steven G. Johnson MIT 2 2-photon probability ~ (light intensity) 2 hn hn N-photon probability ~ (light intensity) N photon photon 3d Lithography Atom lens dissolve unchanged stuff (or vice versa) some chemistry (polymerization)
Litografia 3D [ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ] l = 780nm resolution = 150nm 7µm (3 hours to make) 2µm
Badania na Hożej Focus Ion Beam Dr Marta Gryglas Dr Agata Drabińska JEM-9320 Focused Ion Beam System http://www.norsam.com/
Nanotubes as molecular quantum wires
Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja
Nanostruktury krystaliczne Jacek.Szczytko@fuw.edu.pl http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/nt 1. Nanotechnologia na codzień 2. Prawo Moora i jego konsekwencje a) Więcej! Szybciej! Taniej! b) Wyzwania i problemy 3. Nanotechnologie a) CO? a) Studnie, druty, kropki b) JAK? a) Top-down, czyli (nano)technologia b) Bottom-up, czyli samoorganizacja c) Bio-technologia IBM 36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi tworzy korale kwantowe. Elektrony na powierzchni miedzi oddziałują z atomem kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy tworząc kwantowy miraż.
Nanotechnologie CO? Studnie, druty, kropki JAK? Top-down, czyli (nano)technologia Bottom-up, czyli samoorganizacja
Bottom-up
Wydział (nano)chemii UW http://www.chem.uw.edu.pl/labs/elektrochemia/nanogaleria/nanogaleria.htm
Synteza kropek kwantowych http://www.icmm.csic.es/cefe/fab/synthesis.html
Wytwarzanie koloidalnego CdS metodą odwróconej micelli Związki wyjściowe: wodne emulsje jonów w fazie organicznej H 2 O Stabilizator organiczny Cd 2+ heptan + S 2- heptan zmieszanie S 2- Cd 2+ reakcja CdS heptan wymiana stabilizatora CdS CdS CdS CdS usunięcie rozpuszczalnika CdS heptan
Zdjęcie SEM zawiesiny koloidalnej CdS otrzymanej w wyniku reakcji CdCl2 z tioacetamidem jako źródłem jonów S 2-
Zdjęcia TEM nanostruktur z CdSe o rozmiarach 7 nm x 7 nm (A), 7 nm x 30 nm (B) i 7 nm x 60 nm (C) otrzymanych z (CH 3 ) 2 Cd +TOPO + (TMS) 2 S. W.U.Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisatos, Science, 295 (2002) 2425 P O P O P O CdS O P TOPO O P O P O P TOP TOPO + [TOP+(TMS) 2 S] + [TOP+ (CH 3 ) 2 Cd]
Synteza kropek kwantowych CdSe/ZnS 1-10 nm http://www.nanopicoftheday.org/2003pics/qdrainbow.htm
Energia ogniwa sloneczne http://www.daystartech.com/lightfoil.cfm Cu(In,Ga)Se 2 (also called CIGS) compound semiconductor solar electricity conversion efficiency of 12.8% http://www.tfp.ethz.ch/hesc/hesc.html
Zdjęcie STM polimeru przewodzącego (poli(3,4- dialkoksytiofenu) otrzymanego elektrochemicznie Zdjecie SEM poli(3-heksyltiofenu) otrzymanego chemicznie
Nanorurki, nanowąsy i kropki TiO2 nanotube materials ZnO nanocząstka Au Nanorurka Si DNA www.ee.leeds.ac.uk/nanomsc/modules1.php
Kropki kwantowe + bio A PbSe Quantum Dot as seen through a transmission electon microscope (TEM). http://www.evidenttech.com/
Kropki kwantowe + bio Science, Vol 300, Issue 5616, 80-81, 4 April 2003
Kropki kwantowe + bio Science, Vol 300, Issue 5616, 80-81, 4 April 2003
Magnetyczne QD s Jacek Szczytko Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange
Synteza nanomateriałów Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange Wydział Chemii UW, Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów
Magnetyczne QD s Iron Iron Jacek Szczytko Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange
Magnetyczne QD s nano-co nano-co Jacek Szczytko Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków Ewa Górecka, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska, Adam Krówczyński
Ferrofluid
Ferrofluid Akademia Górniczo Hutnicza
Magnetyczne QD s http://www.biophan.com/index.php?option=com_content&task=view&id=262&itemid=426
Magnetic photonic crystals Fe 3 O 4 120 nm
Biologiczne kryształy fotoniczne http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/online/2002_butterfly/
Magnetic photonic crystals
Nanorurki Nanorurki można sobie wyobrazić jako warstwy atomów węgla (takie jak w graficie), które zostały zrolowane. Rozróżniamy orientacje: Armchair Zig-zag Chiral 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
Winda do nieba
http://www.spaceelevator.com/ Winda do nieba
http://www.uc.edu/news/nr.asp?id=5700 Winda do nieba
Benzen + CN Nanomaszyny Za wolno Gear Rotation in a Vacuum 200 rot/ns W sam raz Powered Sharf http://www.ipt.arc.nasa.gov
First Synthetic Nanomotor Top view Side schematic 300 nm MWNT shaft Au rotor 300 nm Schematic (top) and scanning electron microscopy (SEM) image (bottom) of LBNL s synthetic nanomotor. A 300 nm Au plate rotor (R) is attached to a multi-walled carbon nanotube (MWNT) which acts as a support shaft and is the source of rotational freedom. Electrical contact to the rotor plate is made via the MWNT and its anchor pads (A1, A2). Three stator electrodes, two on the SiO 2 surface (S1, S2) and one buried beneath the surface (S3), provide the control elements. SEM images showing the rotation of the rotor actuated by applying appropriate voltage sequences to the stators. The MWNT, barely visible, runs vertically through the middle of each frame. The schematic diagrams located beneath each SEM image illustrate a cross-sectional view of the position of the nanotube/rotor-plate assembly. The rotor can rotate through a full 360 degrees for thousands of cycles without apparent degradation or wear. http://www.lbl.gov/msd/pis/zettl/03/07_nanomotor/03_7_nanomotor.html Alex Zettl, 03-7
Nano-motor
Model for the Kinesin Mechanism ATP ADP + H 2 O + P i adenozynotrifosforan mov-muscmyosinmotrev6.mov mov-procmotconvkinrev5.mov Kinesin is a dimeric motor protein that travels processively towards the microtubule plus end by taking 8 nm steps, which corresponds to the distance between adjacent alpha/beta tubulin binding sites. We have sought to define the structural changes in the motor that explain the direction of movement and the basis of head-head coordination during processive motility. http://valelab.ucsf.edu/research/res_mec_overv.html http://www.sns.gov/workshops/nni_05/presentations/050617_pincus_philip_nni05.pdf
Bio-nano-silnik (ATPaza) http://www.linkclub.or.jp/~hiikoysd/ryohei/papers.html http://www.foresight.org/conferences/mnt6/papers/montemagno/index.html
Nanoroboty Nano Tech Web
Nanoroboty makrofagi
Nano-samochód Y. Shira/Rice University They found the nanocar was quite stable on the surface remaining parked until the surface was heated above 170 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 170 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. http://www.nanonewsnet.com/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=4&pid=2
Nano i bio (gekon)
Nano i bio (gekon) 50x http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/index.html
Nano i bio (gekon) 6000x http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/index.html
Nano i bio (gekon) 6000x Paweł Tomasz Pęczkowski http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/index.html
Nano i bio (gekon) Nature 448, 338-341 (19 July 2007)
Nano i bio (gekon)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio M13 bacteriophage
M13 bacteriophage Nano i bio
Nano i bio
Nano i bio
Nano i bio ZnS CoPt
Nano i bio
Nano i bio
Zamiast podsumowania: co dalej? Parowóz dziejów Przez ostatnie 40 lat na badania technologii krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 10 12 USD mili mikro nano
Myślimy, że tranzystor jest zbudowany tak. Granice miniaturyzacji? 25 nm MOSFET Produkcja od 2008 4,2 nm MOSFET Produkcja??? IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)
State-of-the-Art: Electronic Circuits Kees Hummelen - University of Groningen From macroscopic to nanoscale electronics copper ( 1 μm) organic molecules ( 0.3-3 nm) wire: X Y diode: CH 2 X CH 2 Y Source transistor: (FET) Gate CH 2 C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 barrier: - CH 2 - - CH 2 CH 2-6 4-terminal complex logic elements 3- and 4-terminal junction Drain Jaszowiec 0606 05
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.
Nanotechnologie Brak inwestycji w naukę to inwestycja w ignorancję Festiwal Nauki 2002
CENT Center for (Applied) Science and Technology
CENT Center for (Applied) Science and Technology
Campus Ochota, Warsaw
Nano i bio Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko Department of Biology, University of Warsaw Department of General Microbiology, Institute of Microbiology Ewa Górecka, Adam Krówczyński, Jadwiga Szydłowska studenci: Paweł Majewski Department of Chemistry, University of Warsaw Structural Research Laboratory Jacek Szczytko, Jacek Gosk, Andrzej Twardowski studenci: Paweł Budzowski, Barbara Witek, Henryk Turski, Michał Feigel Department of Physics, University of Warsaw Division of Solid State Physics, Institute of Experimental Physics, TEM: Jolanta Borysiuk ITME
Podziękowania Wydział Fizyki UW http://www.fuw.edu.pl Zakład Fizyki Ciała Stałęgo http://www.fuw.edu.pl/~zfcs Jola Borysiuk, Agnieszka Grabias Institute of Electronics Materials Technology Andrzej Twardowski, Krzysztof Pakuła, Jacek Baranowski, Maria Kamińska, Andrzej Witowski studenci: Kinga Masztalerz, Piotr Juszyński, Tomasz Zakrzewski, Paweł Osewski, Paweł Budzowski, Krzysztof Ptaszyński Division of Solid State, Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw Andrzej Majhofer Institute of Theoretical Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw Anna Stonert, Renata Ratajczak The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies (IPJ)
Podziękowania Wydział Chemii http://www.chem.uw.edu.pl prof. dr hab. Grzegorz Chałasiński Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange Pracownia Elektrochemii Krystyna Jackowska, Magdalena Skompska Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków Ewa Górecka, Adam Krówczyński, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska Elżbieta Jagusztyn-Krynicka, Dariusz Bartosik Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko Wydział Biologii, Instytut Mikrobiologii
Jaki nowy? Ten ich to ten grat! Internat? Inter net?!! INTERNET!!!
(Makro)Kierunek: Inżynieria nanostruktur! a b a,b,c < 100 nm c http://nano.fuw.edu.pl