kch/nantm

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


Rozměry◦ Molekuly – pevné částice < 100nm◦ Vlastnosti určeny charakteristickými znaky

Částice Klastry Dutiny 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru


Závislost vlastností◦ Vlastnosti nanočástic◦ Uspořádání nanočástic

Vznik vnitřních struktur

Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury


Přístupy:

Top – down◦ Fotolitografie v

elektronice

Bottom – up◦ Dispergované a

kondenzované systémy

◦ Self-assembly


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


Funkčnost NM◦ Složení◦ Velikost a tvar◦ Nanostrukturní rozhraní

Základní dělení NM◦ Nanokrystalické materiály◦ Nanočástice


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


Tvarové typy nanočástic

Koule (spheres) Tyčinka/vlákna (rods) Dráty (wires) Více komplexní profily


Vznik nanočástic

◦ Nukleace Vznik klastrů, homogenní nukleace

◦ Koalescence Kolonie dlouhých klastrů

◦ Růst


Tvary nanostrukturních materiálů souvisí s vlastnostmi

Kritická velikost zrn◦ 10 – 20 nm◦ Více než 50 % atomů na povrchu

Hranice zrn – deformace NM


Skupiny nanokrystalických materiálů◦ Podle dimenzionality

◦ Bezrozměrné atomové shluky◦ Jednorozměrné modulované vrstvy◦ Dvourozměrné jemnozrné vrstvy◦ Trojrozměrné nanostruktury


Nanokrystalické materiály

Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze

Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity


Nanokrystalické materiály

Dělení dle Gleitera◦ 12 skupin◦ První – tvar krystalitů◦ Druhý – chemické složení


Nanokompozitní vrstvy

Tloušťka < 100 nm (obecně 10 nm a méně) Souvislost s množstvím atomů na povrchu

krystalitů Vysoce odlišné vlastnosti od polykrystalických

vrstev


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


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



Odlišné vlastnosti NČ◦ Elektrické◦ Magnetické◦ Optické◦ Tepelné◦ Mechanické

Kvantově-mechanický fenomén◦ Vodivostní kvantování◦ Coulobovské blokování◦ Kvantové jámy, dráty, tečky



Elektronicko-optické přístroje a senzory Tranzistory Lasery s kvantovými tečkami – emisní tloušťka

čáry Zvýšení citlivosti senzorů

Top-down/Bottom-up


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


Nanočástice v polovodičích – nanoklastry

2D/3D Rozdílné vlastnosti (od volných atomů a molekul) Dekaedrální struktury Ikosaedrální struktury

Kvantové jevy


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



Energie elektronu uvnitř KT je kvantována „Umělý atom“ Speciální součástky – práce s jednotlivými

elektrony a fotony Past na elektrony Omezená kapacita



Optická vlastnost zabarvování◦ Vázána na velikost◦ Velké – červené◦ Malé – modré◦ Souvislost s rozložením energetických hladin

Vše souvisí s velikostí◦ Ladění vlnové délky emitovaného světla



Laditelné lasery Optické zesilovače Detektory (InAs na GaAs)


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


Exotické struktury


Self-assembly

Samouspořádání struktur Souvisí s:

◦ Van der Waalsovými silami (přitažlivé)◦ Coulombickými silami (odpudivé)◦ Vodíkové můstky◦ Hydrofilní/hydrofobní interakce

Pokles volné energie


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


EUV litografie

I EUV bude nedostačující Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU


RTG litografie

Nová generace < 40 nm Limitující faktory

◦ Materiál a vzor masky Podobné fotolitografii


RTG litografie

Maska◦ Odolnost◦ Absorbéry◦ Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu


RTG litografie

Současné procesory◦ Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie◦ AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm

technologie


Fotolitografie (chemické leptání)

Příprava polovodičových materiálů Studium Hallova jevu Optoelektronika, senzory Základní metoda Vzor je „obtiskován“ do křemíku Mateřský vzor vypálen laserem


Fotolitografie

2 procesy◦ Záření◦ Leptání přes masku

Odstraňovány pouze nepotřebné části


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


Fotolitografie

Následné vytvoření vodivých cest◦ Pokrytí tenkou vrstvou kovu◦ Následné fotolitografické odleptání nepotřebných

částí◦ Skleněný izolant


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



Návrh syntetických difrakčních struktur Vysoká rozlišovací schopnost Levnější duplikování (galvanoplastika +

mechanické)

Vysoká cena zařízení



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



Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla

Skryté prvky - bezpečnostní účely Nelze kopírovat

Pro dnešek vše

kch/nantm

Documents