Opakovanie z 8. lekcie

Uhlíkové nanoštruktúry• Diamant a grafit – ktorý z nich je elektrický vodič a ktorý izolant? Ktoré

orbitály sprostredkovávajú elektrickú vodivosť?

• Aký je názov orbitálu viažuceho navzájom uhlíky v grafénovejštruktúre a aký je názov orbitálu, ktorý je orientovaný kolmo na túto štruktúru?

• Ako sa nazývajú sférické molekuly uhlíka?

• Vymenujte aspoň dva rozličné postupy pre výrobu uhlíkových nanorúrok.

• Ako sa nazýva vektor, ktorý určuje typ elektrickej vodivosti nanorúrok?

• Je možné vyrobiť nanorúrky, ktoré by neobsahovali uhlík?

• Vymenujte aspoň 3 možné aplikácie uhlíkových nanorúrok.

• Akým spôsobom sa vyrába exfoliovaný grafén?

• Akú výhodu priniesol grafén pre pozorovanie kvantového Hallovhojavu?

F3370 – Úvod do nanotechnológií2016

Lekcia 9

Nanomechanika, MEMS a NEMS

Úvod

Pokroky v technológii výroby malých štruktúr umožnili okrem mikroelektronických obvodov vyrobiť miniatúrne, elektricky ovládané zariadenia, využívajúce mechanické, optické, magnetické, elektrické, chemické /biologické javy, pre aplikácie ako sú napríklad senzory, mikromanipulácia atď. (viď. 2. polovica prednášky)

Pri prechode k malým rozmerom sú mechanické a chemické vlastnosti zariadenia určené jeho povrchom (zmáčanie, elekrostatické sily) a nie jeho objemom (moment zotrvačnosti, tepelná kapacita).

Problémy však prináša citlivosť týchto malých zariadení na oter, teplotu, ako aj nové hodnoty pre moduly pružnosti materiálov.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical systems)

1 mm – 100 nm; masovo uplatňované ako optické spínače, hlavy atramentovýchtlačiarní, akcelerometre…

NEMS (Nano-electro-Mechanical systems)

menej ako 100 nm; aplikácie v spinotronike, ultracitlivé nanomechanické meranie náboja, váženie na úrovni zeptogramov (10-21g)…

Základné procesy mikroobrábania

N. Maluf: An Introduction to Micromechanical Systems Engineering, Artech House 2004

Základný vývojový diagram procesov pri mikrobrábaní: Prebehne depozícia vrstiev. Na fotorezist sa litograficky vytvorí motív, ktorý slúži ako maska pri leptaní podkladového materiálu. Proces sa opakuje až kým nedôjde k dokončeniu požadovanej mikroštruktúry.

Vytvorenie vrstvy

Leptanie

Obrazový motív

Metódy výroby MEMS štruktúr

1. Objemové mikroobrábanie (bulkmicromachining)• Medzi typické výrobné postupy možno zaradiť:

izotrópne a anizotrópne mokré leptanie

• Leptanie so závislosťou na koncentrácii prímesí s využitím roztoku KOH

• Pre jemnejšie štruktúry rôzne typy suchého leptania (pomocou plazmy)

BHUSHAN, B.: Handbook of nanotechnology. Springer Verlag, 2004

a) + b) anizotrópne leptanie kremíka (Cl2/BCl3) pod oxidovou maskou

c) Plazmová (PECVD) depozícia oxidovej vrstvy

d) Anizotrópne leptanie oxidu odkryje dno, pričom ale na stenách nechá oxidovú vrstvu

e) Isotrópne leptanie kremíka (SF6) “podreže“ kremíkovú štruktúru.

f) Ak je to potrebné, na mikroštruktúru sa napráši kovová vrstvička.

Príklad kombinácie jednotlivých postupov:

SCREAM (Single Crystal Reactive Etch and Metallization) – kombinuje suché izotrópne a anizotrópne

leptanie. Vhodné pre úzke, hlboké štruktúry.

2. Povrchové mikroobrábanie (surface micromachining)

Funkčné štruktúry sa zhotovujú z tenkých vrstev nanesených na povrch substrátu. Technologický proces sa skladá z postupnej depozície, suchého leptania a mokrého

odleptania „obetného“ materiálu pre uvoľnenie funkčnej štruktúry.

M. Husák : MEMS a mikrosystémové technologie, AUTOMA 11/2008

Povrchovým mikroobrábaním je možné vyrobiť aj 3D štruktúry, napr. čítačka čiarových kódov (viď. obr. vpravo). Základom tohto optického designu je výroba pántov (na nasledujúcom slide).

Výroba pántov povrchovým mikroobrábanímPSG – obetný materiál(phospho silicate glass)

Mikroobrábanie štruktúr s veľkým pomerom geometrických rozmerov(High-Aspect-Ratio Micromachining)

Pre štruktúry s veľkým pomerom medzi horizontálnymi a vertikálnymi rozmermi boli vyvinuté špeciálne technologické postupy, napr.

HEXSIL - HEXagonal honeycomb polySILiconHARPSS - High Aspect Ratio combined with Poly and Single-Crystal SiliconLIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung (nemecky).

Niklová štruktúra

cez LIGAUhlový aktuátormetódou HEXSILL

Mikrogyroskopcez HARPSS

Schéma postupu HEXSIL

Forma (a) môže byť opakovane použitá, čoznižuje výrobné náklady

Techniky pre nanoobrábanie (NEMS štruktúry)

Základné rozdelenie techník výroby nanoštruktúr je na techniky zhora-nadol (top-down) a techniky zdola-nahor (bottom-up).

Top-down podobne ako pri mikroobrábaní začne s deponovaním tenkej vrstvy materiálu a následne ho selektívne odstraňuje.

Bottom-up je založené na zostavovaní molekúl do vyšších celkov (self-asembly). Tieto techniky sú blízké chemickej syntéze a mikrobiológii.

V súčasnosti, štyri hlavné nanoobrácie techniky sú:

1. Elekrónový lúč a nano-tlač /e-beam and nano-imprint fabrication

2. Epitaxia a riadenie elastického napätia vrstvy / epitaxy and strain engineering

3. Techniky rastrovacích sond / scanned probe techniques

4. Samousporiadanie a matricové techniky / self-assembly and template manufacturing.

Elektrónový lúč a nano-tlač/tisk / E-Beam and Nano-Imprint Fabrication

• Pre svoju malú vlnovú dĺžku je e-lúč vhodný pre vykresľovanie nm štruktúr. Používa sa bežný SEM hardware. Nevýhodou je limit na rozmery substrátu.

• Nano-tlač je nadstavbou nad e-beam technikou, čím sa umožní masovejšiu výrobu.

Najprv sa pomocou e-beam a plazmového leptania vyrobí razítko (stamp) z tvrdého materiálu (Si alebo SiO2). Razítko sa potom otlačí do vrstvy rezistu. Podľa potreby nasleduje depozícia, aleboleptanie.

razítko otlačok

Epitaxia a riadenie elastického napätia vrstvy / epitaxy and strain engineering,• Epitaxia – rast tenkej kryštalickej vrstvy na podložke, ktorá priamo naväzuje na

kryštalickú štruktúru podložky

• Epitaxia z molekulárvych zväzkov (MBE), depozícia atómov

na substrát v podmienkach ultravysokého vákua.

• Nanoštruktúry:

– E-beam úprava epitaxnej vrstvy (poškodí jej čistotu)

– Epitaxný rast na štrukturovanom substráte (ale

rozličná rýchlosť rastu vrstvy)

• Využitie riadeného uvoľnenia elastického

napätia, aby 2D epitaxná vrstva „popraskla“ a vytvorila 3D štruktúru.

Karl Brunner 2002 Rep. Prog. Phys. 65 27

Techniky rastrovacích sond / scanned probe techniques

1. SPM indukovaná oxidácia – napätie na hrote sonde anodizuje vodivý kov vo svojej blízkosti. Napr. vodíkom pasivovaný Si sa pomocu hrota zoxiduje. Zoxidované miesta je následne možné odleptať.

2. SPM litografia – elektróny emitované z hrotu sondu sú schopné exponovať rezist, podobne ako pri e-beam litografii. V prípade AFM nie je potrebné vákuum.

3. Dip-pen nanolitography – nanolitografia namočeným perom, je jemná litografická technika, pri ktorej sa transportujú molekuly z hrotu na substrát. Rýchlosť transportu molekúl a rozlíšenie je riadená veľkosťou vodného menisku, ktorá závisí od relatívnej vlhkosti okolia.

4. Škrabanie povrchu AFM hrotom – mechanická metóda

Štruktúra vytvorená „namočeným perom“

Samousporiadanie a matricové techniky / self-assembly and template manufacturing.

• Princíp metódy spočíva v spontánnej fyzikálnej (z princípu minima energia) alebo chemickej agregácii koloidných nanočastíc

• Fyzikálne samousporiadanie:

Je možné použiť aj štrukturovanýpovrch, TASA – template-assitedself-assembly

Odparovanie roztoku vo vertikálnej polohe spôsobí organizované ukladanie koloidných častíc (polystyrénové guličky). Výroba niektorých fotonických kryštálov.

Chemické samousporiadanie

Vytváranie tzv. samousporiadaných vrstiev (SAM - self assembled monolayer). Typicky organické molekuly s polárnou hlavou a hydrofóbnym chvostom. Aplikácie –izolanty, lubrikačné vrstvy, senzory. SAM je možné štrukturovať, napr. pomocou SPM.

Liu et al. ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH VOL. 33, NO. 7, 2000, pp.457

Matricové metódyPomocou vhodnej poréznej formy, v ktorej sa ukladajú SAM, alebo molekuly je možné masovovytvárať nanoštruktúry.

Aplikácie, najčastejšie oblasti využitia MEMS

Nanoboti na Marse. Roboti veľkosti zrnka piesku budú k pohybu využívať vietor. Murray Robertson/Nanovisions/John Baker

08.02.2012

Základné MEMS/NEMS prístroje zblízka

• Tlakový senzor, priehyb membrány zmení kapacitu medzi kovovými kontaktami

• Akcelerometer, airbagy, vibračné senzory, uhol naklonenia. Na obrázku kapacitné akcelerometre.

• Gyroskop – určovanie polohy (napr. umelý horizont). Dnes malé senzory do auta pre stabilizačné systémy. Namiesto ťažkého zotrvačníka využívajú MEMS vibrácie a účinok Coriolisovej sily na smer vibrácie pri zmene polohy gyroskopu (Fc=-2mω x v). V skutočnosti meria uhlové zrýchlenie.

Pôvodná konštrukcia so zotrvačníkom

Coriolisova sila Fc na severnej pologuli

Delphi Delco gyroscope

Bosch gyroscope

N. Maluf: An Introduction to Micromechanical Systems Engineering, Artech House 2004

Aktuátory a mikropohony• HP thermojet v atramentovej (inkoustovej) tlačiarni

• Mikropumpa, Fraunhofer Institute Mníchov, 7x7x2mm,

konštrukcia zo 4 waferov.

•Mikroventil, zahriatím Fluorinert kvapaliny sa otvorí výstupný port

• DMD – Digital Micromirror DeviceTM milión pohyblivých zrkadielok 14x14 mikrometrov. Základná súčiastka DLP projektora.

DMD chip

DLP projektor

Mikrofluidické aplikácie

Manipulácia s malými objemami kvapalín ((µL, nL, pL, fL) v malých geometrických rozmeroch.

Analýza biologických a chemických vzoriek (laboratórium na chipe), syntéza a dávkovanie liekov, presné dávkovanie nebezpečných látok, miešanie, kontrola smeru toku...

Tri základné spôsoby čerpania kvapalín v mikrofluidike:

(a) tlakové čerpanie(b) elektroforetické, ióny v roztoku s opačnou polaritou tečú opačným smerom vďaka účinkom externého elektrického poľa(c) elektroosmotické, elektrické pole poháňa ióny v stenovej dvojvrstve, vďaka čomu sa pohybuje aj celý objem kvapaliny

• Mikrofluidika - Meranie hmotnosti molekúl, (aplikácia NEMS), kvapalina s molekulou zmení rezonančnú frekvenciu kyvadla.

Burg T, NATURE Letters, Vol 446, 2007

(fempto = 10-15)

• Lab-on-a-chip, príklad - sekvenčná analýza DNA

Princíp metód analýzy DNA Miniaturizácia tohoto procesu (kapilárna

elektroporéza), skráti čas analýzy (až 8-10 hod pre klasickú gelovú elektroporézu), množstvo potrebnej vzorky, a dovolí vďaka malému

Ohmickému ohrevu väčšie amplitúdy el. poľa.

Čas analýzy pri MEMS je na úrovni minút. Komerčne napr. Agilent DNA LabChip.

(a) Test zhody

(b) Analýza štruktúry

N. Maluf, K. Williams: An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering

Zhrnutie

• Zhrnuli sme si základné metódy mikro a nanoobrábania

• Predstavili sme si známe aplikačné oblasti pre MEMS.

• Vysvetlili sme princíp činnosti viacerých MEMS súčiastok.

• NEMS má významné komerčné uplatnenie ešte len pred sebou