kch nantm
Download
Skip this Video
Download Presentation
KCH/NANTM

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 51

KCH/NANTM - PowerPoint PPT Presentation


  • 134 Views
  • Uploaded on

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.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' KCH/NANTM' - berg


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 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 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
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