kch/nantm
DESCRIPTION
KCH/NANTM. Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy. Obsah. Struktura a vlastnosti nanomateriálů Nanočástice Nanokrystalické materiály Nanočástice v polovodičích Self-assembly Metody přípravy nanomateriálů Litografie. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Přednáška 6Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy
Struktura a vlastnosti nanomateriálů◦ Nanočástice◦ Nanokrystalické materiály◦ Nanočástice v polovodičích◦ Self-assembly
Metody přípravy nanomateriálů◦ Litografie
Struktura a vlastnosti nanomateriálůStruktura a vlastnosti nanomateriálů
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Stavební jednotky NM:◦ Rozměr◦ Tvar◦ Atomová struktura◦ Krystalinita◦ Mezifázové rozhraní◦ Chemické složení
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Rozměry◦ Molekuly – pevné částice < 100nm◦ Vlastnosti určeny charakteristickými znaky
Částice Klastry Dutiny 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Závislost vlastností◦ Vlastnosti nanočástic◦ Uspořádání nanočástic
Vznik vnitřních struktur
Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Přístupy:
Top – down◦ Fotolitografie v
elektronice
Bottom – up◦ Dispergované a
kondenzované systémy
◦ Self-assembly
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nutná znalost atomární struktury Vlastnosti se liší od běžných materiálů se stejným
chemickým složením
Faktory:◦ Malá velikost krystalitů – 50% atomů v nekoherentní
hranici mezi krystaly◦ Velikost a vliv dimenzionality
Velikost krystalické fáze zmenšena na několik interatomárních vzdáleností
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Funkčnost NM◦ Složení◦ Velikost a tvar◦ Nanostrukturní rozhraní
Základní dělení NM◦ Nanokrystalické materiály◦ Nanočástice
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Podíl povrchových atomů◦ Vliv na chemické a fyzikální vazby na hranicích zrn◦ Vazba nanočástic se základní hmotou kompozitů
Velikost nanočástic◦ Střední volná dráha elektronů◦ Šířka hradlové vrstvy v polovodičích
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Tvarové typy nanočástic
Koule (spheres) Tyčinka/vlákna (rods) Dráty (wires) Více komplexní profily
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Vznik nanočástic
◦ Nukleace Vznik klastrů, homogenní nukleace
◦ Koalescence Kolonie dlouhých klastrů
◦ Růst
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Tvary nanostrukturních materiálů souvisí s vlastnostmi
Kritická velikost zrn◦ 10 – 20 nm◦ Více než 50 % atomů na povrchu
Hranice zrn – deformace NM
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Skupiny nanokrystalických materiálů◦ Podle dimenzionality
◦ Bezrozměrné atomové shluky◦ Jednorozměrné modulované vrstvy◦ Dvourozměrné jemnozrné vrstvy◦ Trojrozměrné nanostruktury
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály
Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze
Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály
Dělení dle Gleitera◦ 12 skupin◦ První – tvar krystalitů◦ Druhý – chemické složení
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanokompozitní vrstvy
Tloušťka < 100 nm (obecně 10 nm a méně) Souvislost s množstvím atomů na povrchu
krystalitů Vysoce odlišné vlastnosti od polykrystalických
vrstev
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanostrukturní vrstvy
Atomy hraničních oblastí rozhodují o uspořádání – růstu vrstev
Vlastnosti závisí na rozměrech nanofázových oblastí Dislokace zde neexistují – tvorba přerušena hranicemi,
posun podél hranic, žádné vady Nanofázové kovy – pevnější Nanokeramika – snadněji tvarovatelná
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích
Dělení podle dimenzionality◦ Kvantové vrstvy
2D systém Třetí rozměr 1 - 3 nm
◦ Kvantové drátky 1D systém
◦ Kvantové tečky◦ Kvantové klastry
Zvláštní struktura
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích
Odlišné vlastnosti NČ◦ Elektrické◦ Magnetické◦ Optické◦ Tepelné◦ Mechanické
Kvantově-mechanický fenomén◦ Vodivostní kvantování◦ Coulobovské blokování◦ Kvantové jámy, dráty, tečky
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích
Elektronicko-optické přístroje a senzory Tranzistory Lasery s kvantovými tečkami – emisní tloušťka
čáry Zvýšení citlivosti senzorů
Top-down/Bottom-up
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – nanoklastry
Široké rozměrové spektrum◦ Malé klastry: 1 – 3 nm◦ Velké klastry: desítky nm
Často označovány jako „nanokrystaly“ Velikost a tvar, podmínky přípravy Růst na substrátech nebo volně
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – nanoklastry
2D/3D Rozdílné vlastnosti (od volných atomů a molekul) Dekaedrální struktury Ikosaedrální struktury
Kvantové jevy
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky
Polovodičové nanokrystaly 2 – 10 nm (10 - 50 atomů v průměru) Jasně ohraničená oblast Nahromadění elektronů Pravidelné uspořádání Fasety Různé prvky, sloučeniny
◦ CdSe, CdS, ZnS
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky
Energie elektronu uvnitř KT je kvantována „Umělý atom“ Speciální součástky – práce s jednotlivými
elektrony a fotony Past na elektrony Omezená kapacita
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky
Optická vlastnost zabarvování◦ Vázána na velikost◦ Velké – červené◦ Malé – modré◦ Souvislost s rozložením energetických hladin
Vše souvisí s velikostí◦ Ladění vlnové délky emitovaného světla
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky
Laditelné lasery Optické zesilovače Detektory (InAs na GaAs)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové drátky
Průměr několik nm Délka i µm Nízký počet mechanických defektů Nízký bod tání Velký povrch proti objemu Využití:
◦ Tranzistory, LED, senzory
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Exotické struktury
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Self-assembly
Samouspořádání struktur Souvisí s:
◦ Van der Waalsovými silami (přitažlivé)◦ Coulombickými silami (odpudivé)◦ Vodíkové můstky◦ Hydrofilní/hydrofobní interakce
Pokles volné energie
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Self-assembly
Biologické struktury Polymery Slitiny
Samouspořádání při vzniku Samoopravné materiály
Metody přípravy NM - Metody přípravy NM - litografielitografie
Metody přípravy NMMetody přípravy NM Individuální přístup k různým materiálům
Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat
Technonologie často spojována se vznikem polovodičových struktur◦ P/N přechod◦ Vytváření horizontálních struktur – litografie◦ Vytváření vertikálních struktur - epitaxe
LitografieLitografie Hromadné chemicko-fyzikální zpracování Hladký povrch Substráty
◦ Si◦ Sklo◦ GaAs
Horizontálně členěné struktury Členění:
◦ EUV/RTG litografie◦ Fotolitografie◦ Elektronová litografie◦ Iontová projekční litografie◦ Reaktivní iontové leptání
LitografieLitografie Složité tvarování určité části povrchu Postup:
◦ Nanesení rezistu Citlivost na určitý podnět Ovlivní rozpustnost
◦ Ozáření v místech beze změny Přes masku/rastrování
◦ Nanesení vrstvy leptadla Pouze vertikální směr
◦ Vyleptání původního povrchu/nanesení další vrstvy◦ Odstranění ozářeného rezistu
LitografieLitografie Limitující faktor
◦ Vlnová délka světla pro ozáření◦ Viditelné světlo – do 100 nm◦ UV/RTG/svazek vysokoenergetických elektronů
Uplatnění◦ ICT◦ Medicína (detekce poruch DNA)◦ Vojenský průmysl◦ Enviro technologie
LitografieLitografie
EUV litografie
EUV – extreme ultraviolet◦ Struktury pod 100nm◦ Vlnová délka 193 nm◦ Hrozí ionizace substrátu a narušení krystalové mřížky◦ Pronikavé vysokoenergetické záření◦ Vysoké nároky na použité materiály pro masku
LitografieLitografie
EUV litografie
I EUV bude nedostačující Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU
LitografieLitografie
RTG litografie
Nová generace < 40 nm Limitující faktory
◦ Materiál a vzor masky Podobné fotolitografii
LitografieLitografie
RTG litografie
Maska◦ Odolnost◦ Absorbéry◦ Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu
LitografieLitografie
RTG litografie
Současné procesory◦ Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie◦ AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm
technologie
LitografieLitografie
Fotolitografie (chemické leptání)
Příprava polovodičových materiálů Studium Hallova jevu Optoelektronika, senzory Základní metoda Vzor je „obtiskován“ do křemíku Mateřský vzor vypálen laserem
LitografieLitografie
Fotolitografie
2 procesy◦ Záření◦ Leptání přes masku
Odstraňovány pouze nepotřebné části
LitografieLitografie
Fotolitografie
Obecný postup◦ Nanesení vrstvy SiO2 na vyleštěný Si
◦ Nanesení fotocitlivé/rezistivní vrstvy na oxid křemičitý◦ Osvícení UV◦ Zpevnění ozářených míst◦ Horké plyny – odstranění neozářené citlivé vrstvy ◦ Leptání do různých hloubek
Násobné opakování procesu
LitografieLitografie
Fotolitografie
Následné vytvoření vodivých cest◦ Pokrytí tenkou vrstvou kovu◦ Následné fotolitografické odleptání nepotřebných
částí◦ Skleněný izolant
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Vytváření a přesné polohování obrazců v elektronovém rezistu
Rozměry pod 100 nm Příprava masek pro fotolitografii a další Bodový zápis difrakční mikrostruktury
skenujícím paprskem
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Návrh syntetických difrakčních struktur Vysoká rozlišovací schopnost Levnější duplikování (galvanoplastika +
mechanické)
Vysoká cena zařízení
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Vytváření hologramů◦ Difrakční optická struktura na vhodném podkladu◦ Velmi jemné vrypy (10 vrypů na 1 mikron)◦ Ve 2D velmi přesný zobrazení 3D modelu◦ Velké množství informací na malé ploše
Master se tvoří elektronovou litografií nebo laserem
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla
Skryté prvky - bezpečnostní účely Nelze kopírovat
Pro dnešek vše