Download - KCH/NANTM
![Page 1: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/1.jpg)
Přednáška 6Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy
![Page 2: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/2.jpg)
Struktura a vlastnosti nanomateriálů◦ Nanočástice◦ Nanokrystalické materiály◦ Nanočástice v polovodičích◦ Self-assembly
Metody přípravy nanomateriálů◦ Litografie
![Page 3: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/3.jpg)
Struktura a vlastnosti nanomateriálůStruktura a vlastnosti nanomateriálů
![Page 4: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/4.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Stavební jednotky NM:◦ Rozměr◦ Tvar◦ Atomová struktura◦ Krystalinita◦ Mezifázové rozhraní◦ Chemické složení
![Page 5: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/6.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Závislost vlastností◦ Vlastnosti nanočástic◦ Uspořádání nanočástic
Vznik vnitřních struktur
Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury
![Page 7: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/7.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Přístupy:
Top – down◦ Fotolitografie v
elektronice
Bottom – up◦ Dispergované a
kondenzované systémy
◦ Self-assembly
![Page 8: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/9.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Funkčnost NM◦ Složení◦ Velikost a tvar◦ Nanostrukturní rozhraní
Základní dělení NM◦ Nanokrystalické materiály◦ Nanočástice
![Page 10: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/10.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
![Page 11: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/12.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Tvarové typy nanočástic
Koule (spheres) Tyčinka/vlákna (rods) Dráty (wires) Více komplexní profily
![Page 13: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/13.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Vznik nanočástic
◦ Nukleace Vznik klastrů, homogenní nukleace
◦ Koalescence Kolonie dlouhých klastrů
◦ Růst
![Page 14: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/15.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Skupiny nanokrystalických materiálů◦ Podle dimenzionality
◦ Bezrozměrné atomové shluky◦ Jednorozměrné modulované vrstvy◦ Dvourozměrné jemnozrné vrstvy◦ Trojrozměrné nanostruktury
![Page 16: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/16.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály
Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze
Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity
![Page 17: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/17.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanokrystalické materiály
Dělení dle Gleitera◦ 12 skupin◦ První – tvar krystalitů◦ Druhý – chemické složení
![Page 18: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/19.jpg)
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
![Page 20: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/22.jpg)
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
![Page 23: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/23.jpg)
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
![Page 24: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/28.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky
Laditelné lasery Optické zesilovače Detektory (InAs na GaAs)
![Page 29: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/30.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Exotické struktury
![Page 31: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/31.jpg)
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
![Page 32: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/32.jpg)
Struktura a vlastnosti NMStruktura a vlastnosti NM
Self-assembly
Biologické struktury Polymery Slitiny
Samouspořádání při vzniku Samoopravné materiály
![Page 33: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/33.jpg)
Metody přípravy NM - Metody přípravy NM - litografielitografie
![Page 34: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/39.jpg)
LitografieLitografie
EUV litografie
I EUV bude nedostačující Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU
![Page 40: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/40.jpg)
LitografieLitografie
RTG litografie
Nová generace < 40 nm Limitující faktory
◦ Materiál a vzor masky Podobné fotolitografii
![Page 41: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/41.jpg)
LitografieLitografie
RTG litografie
Maska◦ Odolnost◦ Absorbéry◦ Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu
![Page 42: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/42.jpg)
LitografieLitografie
RTG litografie
Současné procesory◦ Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie◦ AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm
technologie
![Page 43: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/43.jpg)
LitografieLitografie
Fotolitografie (chemické leptání)
Příprava polovodičových materiálů Studium Hallova jevu Optoelektronika, senzory Základní metoda Vzor je „obtiskován“ do křemíku Mateřský vzor vypálen laserem
![Page 44: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/44.jpg)
LitografieLitografie
Fotolitografie
2 procesy◦ Záření◦ Leptání přes masku
Odstraňovány pouze nepotřebné části
![Page 45: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/45.jpg)
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
![Page 46: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/46.jpg)
LitografieLitografie
Fotolitografie
Následné vytvoření vodivých cest◦ Pokrytí tenkou vrstvou kovu◦ Následné fotolitografické odleptání nepotřebných
částí◦ Skleněný izolant
![Page 47: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/47.jpg)
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
![Page 48: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/48.jpg)
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Návrh syntetických difrakčních struktur Vysoká rozlišovací schopnost Levnější duplikování (galvanoplastika +
mechanické)
Vysoká cena zařízení
![Page 49: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/49.jpg)
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
![Page 50: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/50.jpg)
LitografieLitografie
Elektronová litografie
Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla
Skryté prvky - bezpečnostní účely Nelze kopírovat
![Page 51: KCH/NANTM](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022081603/56813c8b550346895da62e55/html5/thumbnails/51.jpg)
Pro dnešek vše