Kch nantm
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 51

KCH/NANTM PowerPoint PPT Presentation


  • 103 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

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.

Download Presentation

KCH/NANTM

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Kch nantm

KCH/NANTM

Přednáška 6

Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy


Obsah

Obsah

  • Struktura a vlastnosti nanomateriálů

    • Nanočástice

    • Nanokrystalické materiály

    • Nanočástice v polovodičích

    • Self-assembly

  • Metody přípravy nanomateriálů

    • Litografie


Struktura a vlastnosti nanomateri l

Struktura a vlastnosti nanomateriálů


Struktura a vlastnosti nm

Struktura a vlastnosti NM

  • Stavební jednotky NM:

    • Rozměr

    • Tvar

    • Atomová struktura

    • Krystalinita

    • Mezifázové rozhraní

    • Chemické složení


Struktura a vlastnosti nm1

Struktura 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 nm2

Struktura a vlastnosti NM

  • Závislost vlastností

    • Vlastnosti nanočástic

    • Uspořádání nanočástic

      • Vznik vnitřních struktur

  • Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury


Struktura a vlastnosti nm3

Struktura a vlastnosti NM

Přístupy:

  • Top – down

    • Fotolitografie v elektronice

  • Bottom – up

    • Dispergované a kondenzované systémy

    • Self-assembly


Struktura a vlastnosti nm4

Struktura 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 nm5

Struktura a vlastnosti NM

  • Funkčnost NM

    • Složení

    • Velikost a tvar

    • Nanostrukturní rozhraní

  • Základní dělení NM

    • Nanokrystalické materiály

    • Nanočástice


Struktura a vlastnosti nm6

Struktura a vlastnosti NM


Struktura a vlastnosti nm7

Struktura 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 nm8

Struktura a vlastnosti NM

Tvarové typy nanočástic

  • Koule (spheres)

  • Tyčinka/vlákna (rods)

  • Dráty (wires)

  • Více komplexní profily


Struktura a vlastnosti nm9

Struktura a vlastnosti NM

Vznik nanočástic

  • Nukleace

    • Vznik klastrů, homogenní nukleace

  • Koalescence

    • Kolonie dlouhých klastrů

  • Růst


Struktura a vlastnosti nm10

Struktura 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 nm11

Struktura a vlastnosti NM

Skupiny nanokrystalických materiálů

  • Podle dimenzionality

  • Bezrozměrné atomové shluky

  • Jednorozměrné modulované vrstvy

  • Dvourozměrné jemnozrné vrstvy

  • Trojrozměrné nanostruktury


Struktura a vlastnosti nm12

Struktura a vlastnosti NM

Nanokrystalické materiály

  • Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze

  • Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity


Struktura a vlastnosti nm13

Struktura a vlastnosti NM

Nanokrystalické materiály

  • Dělení dle Gleitera

    • 12 skupin

    • První – tvar krystalitů

    • Druhý – chemické složení


Struktura a vlastnosti nm14

Struktura 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 nm15

Struktura 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 nm16

Struktura 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 nm17

Struktura 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 nm18

Struktura 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 nm19

Struktura 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 nm20

Struktura 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 nm21

Struktura 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 nm22

Struktura 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 nm23

Struktura 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 nm24

Struktura a vlastnosti NM

Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky

  • Laditelné lasery

  • Optické zesilovače

  • Detektory (InAs na GaAs)


Struktura a vlastnosti nm25

Struktura 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 nm26

Struktura a vlastnosti NM

Exotické struktury


Struktura a vlastnosti nm27

Struktura 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 nm28

Struktura a vlastnosti NM

Self-assembly

  • Biologické struktury

  • Polymery

  • Slitiny

  • Samouspořádání při vzniku

  • Samoopravné materiály


Metody p pravy nm litografie

Metody přípravy NM - litografie


Metody p pravy nm

Metody 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


Litografie

Litografie

  • 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


Litografie1

Litografie

  • 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


Litografie2

Litografie

  • 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


Litografie3

Litografie

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


Litografie4

Litografie

EUV litografie

  • I EUV bude nedostačující

  • Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU


Litografie5

Litografie

RTG litografie

  • Nová generace

  • < 40 nm

  • Limitující faktory

    • Materiál a vzor masky

  • Podobné fotolitografii


Litografie6

Litografie

RTG litografie

  • Maska

    • Odolnost

    • Absorbéry

    • Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu


Litografie7

Litografie

RTG litografie

  • Současné procesory

    • Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie

    • AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm technologie


Litografie8

Litografie

Fotolitografie (chemické leptání)

  • Příprava polovodičových materiálů

  • Studium Hallova jevu

  • Optoelektronika, senzory

  • Základní metoda

  • Vzor je „obtiskován“ do křemíku

  • Mateřský vzor vypálen laserem


Litografie9

Litografie

Fotolitografie

  • 2 procesy

    • Záření

    • Leptání přes masku

  • Odstraňovány pouze nepotřebné části


Litografie10

Litografie

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


Litografie11

Litografie

Fotolitografie

  • Následné vytvoření vodivých cest

    • Pokrytí tenkou vrstvou kovu

    • Následné fotolitografické odleptání nepotřebných částí

    • Skleněný izolant


Litografie12

Litografie

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


Litografie13

Litografie

Elektronová litografie

  • Návrh syntetických difrakčních struktur

  • Vysoká rozlišovací schopnost

  • Levnější duplikování (galvanoplastika + mechanické)

  • Vysoká cena zařízení


Litografie14

Litografie

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


Litografie15

Litografie

Elektronová litografie

  • Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla

  • Skryté prvky - bezpečnostní účely

  • Nelze kopírovat


Kch nantm

Pro dnešek vše 


  • Login