materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno · polimeri keramika kompoziti nano po...

© Marija Kosec, IJS. 26.5.2011

Slavnostna akademija ob 25. obletnici delovanja društva MIDEM

1

Marija Kosec

Institut “Jožef Stefan”, Jamova cesta 39, 1000 LjubljanaCenter odličnosti NAMASTE

[email protected]

Materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno

Odsek za

elektronsko keramiko

s pomočjo

MIDEM, 26. 5. 2011

Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.

Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje? S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.

Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo? Z uporabo piezoelektrikov.

Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih hladilnikov?Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen elektrokaloričniefekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.

Vsebina

MIDEM, 26. 5. 20112



2

Elektronika in elektrotehnika

Energetika

Zdravje

Materiali

Materiali so infrastruktura tehnološko usmerjene družbe

Materiali so snovi, ki v primerni obliki izvajajo določene funkcije

Les kot materialali kot gorivo

MIDEM, 26. 5. 2011 3

Sestava in

struktura

Kovine

Polimeri

Keramika

Kompoziti

Nano

Po uporabnosti

Mat.v elektroniki

Medicini

Gradbeništvu

Tekstilu

Energetiki

+

Tehnologije

Nano

Tankoplastne

Debeloplastne

Keramične

+.

?

++???++

??

?

Materiali: razdelitev

MIDEM, 26. 5. 2011 4



3

MIKROELEKTRONIKAPolprevodniki

Si, ZnO, C (grafen)

Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.

Kako čim bolj izkoristititi sončno sevanje? S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.

Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo? Z uporabo piezoelektrikov.

Se nam obeta nova generacijo učinkovitih, enostavnih hladilnikov?Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen elektrokaloričniefekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.

MIDEM, 26. 5. 2011 5

Prvi (bipolarni) tranzistor so izdelali v

Bellovih laboratorijih - Bell Telephone

Laboratories leta 1948. Izumitelji Bardeen,

Brattain in Shockley so leta 1956 za to delo

prejeli Nobelovo nagrado.

MIDEM, 26. 5. 2011 6



4

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Monokristalines_Silizium_f%C3%BCr_die_Waferherstellung.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:ICC_2008_Poland_Silicon_Wafer_1_edit.png

http://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

Si-polprevodniki

dodelana tehnologija

Visoke temperature pri

izdelavi

togi

netransparentni

Upper interconnect layers on an

Intel 80486DX2 microprocessor die.

Microchips (EPROM memory)

with a transparent window,

showing the integrated circuit

inside.

MIDEM, 26. 5. 2011 7

Transparent +

MIDEM, 26. 5. 2011 8



5

+ and flexible

Transparentni fleksibilni polprevodniki

MIDEM, 26. 5. 2011 9

Transparentni prevodni oksidi

Transparent conductive oxides: TCO

zahteve- Visoka optična transparentnost- dovolj širok prepovedani pas, da je material

transparenten v vidnem področju: > ≈ 3.1 eV (Si: 1.1 eV @ 300K)

- Visoka električna prevodnost (≈ 10 4 S/cm)

- Dovolj velika koncentracija nosilcev nabojev

(elektronov ali vzeli) > ≈ 1019 /cm3

- Dovolj visoka mobilnost, > ≈ 1 cm2/V s (še bolje, > ≈ 10 cm2/V s)

“pasivni prevodniki”: prevodnost naj bo čim večja = visoka koncentracija

nosilcev nabojev

“aktivni prevodniki”: nizka koncentracijo nosilcev nabojev vendar z visoko

mobilnostjo

Wager, Keszler, Presley, Transparent electronics, 2008.MIDEM, 26. 5. 2011 10



6

Common TCOs and their properties

TCO Bandgap σ * Charge carrier Mobility

/ eV (S/cm) conc (cm-3) (cm2/V s)

In2O3 3.75 10000 > 1021 35

ZnO 3.35 8000 > 1021 20

SnO2 3.6 5000 > 1020 15

*: values for polycrystalline films

n-type (conduction via electron transport)

Passive applications (= conductors): In2O3: Sn (ITO), SnO2: F, SnO2: Sb, ZnO : Al

Metals: σ W ≈ 105 S/cmMIDEM, 26. 5. 2011 11

Nomura, Ohta, Takagi, Kamiya, Hirano & Hosono

NATURE, VOL 432, 2004, 488.

Struktura je narejena s PLD

ITO: In2O3: Sn (10%)

a-IGZO: amorfni In-Ga-Zn-O (1.1 : 1.1 : 0.9)

Mobilnost: 10 cm2/Vs

Koncentracija nosilcev naboja: 10-14/cm3

Fleksibilnost zahteva nizke tempeature

priprave:nosilec je polimer

Priprava tankoplastnega tranzistorja uporabljajoč

amorfne polprevodnike

MIDEM, 26. 5. 201112



7

Nomura, NATURE, 2004.

Transportne poti v kristaliničnih in amorfnih TCOs

In2O3-ZnO (IZO)

In2O3-Ga2O3- ZnO (IGZO)

+MIDEM, 26. 5. 2011 13

n-type TCOs:

In2O3: Sn (ITO)

CdO

SnO2

ZnO

In2O3-ZnO (IZO)

In2O3-Ga2O3- ZnO (IGZO)

+

p-type TCOs:

Delafossite-type materials

(contain Cu(I))

CuCrO2

CuAlO2

High-K dielectrics:

Ta2O3

HfO2

SiO2

Al2O3

Single or mixed oxides

+

MIDEM, 26. 5. 2011 14



8

Priprava TCOs

Fizikalne metode nanašanja: sputtering, PLD

Najpogosteje

Depozicija pri nizki temperaturi

Primerno za različne nosilce

Kompletno pokritje

Zahteve: keramične tarče s točno določeno kemijsko sestavo, visoko gostoto,

homogeno porazdelitvijo

Sinteza iz raztopin (CSD)

Sestava se določi že v raztopini

Problem, kako doseči nizke temperature, da dobimo čisto anorgansko fazo

Kompletno pokritje

In jet printing podobno kot CSD, velika prednost: direktno oblikovanje, nič

jedkanja

MIDEM, 26. 5. 2011 15

Andre Geim, and Konstantin Novoselov 2010

Nobel Prize in Physics "for groundbreaking

experiments regarding the two-dimensional material

graphene".

2010 Nobelova nagrada za fiziko

Grafen (Graphene):CAndre Geim Konstantin Novoselov

C:grafit C:diamantMIDEM, 26. 5. 2011 16



9

http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

Grafen: lastnosti

Zero-gap polprevodnik

Visoka mobilnost elektronov 15,000 cm2V−1s−1 (Si mobilnost elektronov:1400

cm2V−1s−1).

Električna upornost: 10−6 Ωcm manj kot srebro (Si intrinsična upornost: 3.2105

Ωcm)

Optično transparenten

Nenormalni Hall efekt

Toplotna prevodnost:4.84±0.44) ×103 to (5.30±0.48) ×103 Wm−1K−1

(najvišja poznana vrednost)

Zlomna trdnost 200x višja od jekla, natezna trdnost 130 GPa

Uporaba:Lahko nadomesti silicij v elektroniki, primeren je za transparentne

elektrode,

v fotovoltaiki, optoelektroniki, fotoniki, uporaben v spintroniki itd.

MIDEM, 26. 5. 2011 17

Grafen: novi material za hlajenje čipov v elektroniki

http://www.smartplanet.com/business/blog/intelligent-energy/will-electronics-enter-into-a-graphene-age/1155/

Hlajenje mikroelektronskih čipov: toplotna prevodnost 600W/K baker: 250W/K, silicij:10 W/K

MIDEM, 26. 5. 2011 18



10

Science (7. februar 2010) — IBM-ovi znanstveniki so

predstavili nov 100 GHz grafenski tranzistor.

http://www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100205113551.htm

GRAFENSKI TRANZISTOR

IBM-ovi znanstveniki so predstavili najhitrejši grafenski

tranzistor na svetu. (PRNewsFoto/IBM)

MIDEM, 26. 5. 2011 19

Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?

Vsak posebej je osnovni gradnik tranzistorja.

Kako čim bolj izkoristiti sončno sevanje?

S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in

termoelektrični efekt.

Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo?

Z uporabo piezoelektrikov.

Se nam obeta nova generacija učinkovitih, enostavnih

hladilnikov?

Mogoče, če bomo znali pravilno izkoristiti ogromen

elektrokalorični

efekt v polarnih dielektrikih, nedavno odkrit v Sloveniji.

MIDEM, 26. 5. 2011 20



11

Sončne celice

MIDEM, 26. 5. 2011 21

, ,

MIDEM, 26. 5. 2011 22



12

Termoelektriki

Termoelektrični generatorji osnovani na Seebeck-ovem efektu. Temperaturna razlika med spojema dveh različnih materialov privede do napetosti.

Termoelektrični generator

D. Jia, J. Liu,Front. Energy Power Eng. China 2009, 3(1): 27–46

hladna stran

topla stran

MIDEM, 26. 5. 2011 23

Slike prikazujejo:(a) oksidne dele tipa p in n, (b) deli p in n keramike vstavljeni v Al2O3 matriko in (c) končni izdelek po segrevanju.

Funahashi R, Mikami M, Mihara T, Urata S and Ando N 2006,J. Appl. Phys. 99 066117

Termoelektriki

Rešitev: keramika namesto monokristalovp-tip: Ca2,7Bi0.3Co4O9

n-tip: La0.9Bi0.1NiO3

materiali: p-type Bi2Te3/Sb2Te3

n-type Bi2Te3/Bi2Te2.7Se0.3

MIDEM, 26. 5. 2011 24



13

K. A. Cook-Chennault, N. Thambi, A. M. Sastry, Smart Mater. Struct. 17 (2008) 043001

MIDEM, 26. 5. 2011 25

Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen

(C)?



S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični

efekt.

Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se

sprehajamo?



hladilnikov?


elektrokalorični


MIDEM, 26. 5. 2011 26



14

Energy HarvestingZbiranje energije

Zbiranje majhnih količin energije iz lokalnih virov

MIDEM, 26. 5. 2011 27

Viri energije:

Termalna energija – “odpadna” energija iz peči, grelcev in iz trenja

Mehanska energija – izvor iz vibracij, mehanskih napetosti in deformacij

Svetlobna energija – izvor iz sončne svetlobe ali sobne svetlobe, izkoristimo jo lahko s foto-senzorji, foto diodami, ali sončnimi celicami

Elektromagnetna energija – iz tuljav in transformatorjev

Naravna energija – iz okolja, npr. veter, vodni tok, oceanski tokovi, sonce

Človeško telo – kombinacija mehanske in toplotne eneregije, ki jo proizvaja človeško telo med hojo ali drugačno aktivnostjo

Ostala energija – iz kemičnih in bioloških virov

http://www.energyharvesting.net/

MIDEM, 26. 5. 2011 28



15

MIDEM, 26. 5. 2011 29

Vir: Mehanska energija

Piezoelektrični “zbiralniki energije” (piezoelectric harvesters)

Shematska predstavitev smeri sil delovanja na piezoelektrični element in proizvedenega naboja oziroma napetosti v primeru dveh načinov delovanja:

(a) tlačni način delovanja s stiskanjem(b) prečni način delovanja z upogibanjem

MIDEM, 26. 5. 2011 30



16

MIDEM, 26. 5. 2011 31

Piezoelektična keramikaPiezoelektična keramika: : SestavaSestava

BaTiO3,

PbTiO3 (PT)

Piezoelektrični materiali na osnovi trdne raztopine Pb(Zr,Ti)O3 (PZT):Odlične piezoelektrične lastnosti, ki jih lahko spreminjamo s sestavo in dopiranjem za široko uporabo v različnih aplikacijah.

Nadaljnje sestave

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN)

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 – PbTiO3 (PMN-PT)

Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – PbTiO3 (PZN-PT), (PMN-PZN-PT)

Visoka vsebnost svinca (~60w%) → ekološki problemi

V zadnjem desetletju: iskanje piezoelektričnih materialov brez svinca

Primer:(K,Na)NbO3 s.s. (KNN).

A

B

O

MIDEM, 26. 5. 2011 32



17

Shenck N S and Paradiso J A 2001 Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectrics IEEE Micro. 21 30–42

Čevelj, ki proizvaja energijo med hojo človeka (“Human power shoe”) vsebuje PZT element Moč : 8.4 mW pri 0.9 Hz in 500 kOhm.

MIDEM, 26. 5. 2011 33

Kaj imajo skupnega silicij (Si), cinkov oksid (ZnO) in grafen (C)?



S kombinacijo materialov, ki kažejo fotoefekt in termoelektrični efekt.

Kako lahko pridobivamo elektriko ob tem, ko se sprehajamo?



hladilnikov?


elektrokalorični


Elektrokaloriki

MIDEM, 26. 5. 2011 34



18

Elektrokalorični efekt: polarni material

MIDEM, 26. 5. 2011 35

Cr/Au,

≈ 80 nm

PLZT,

≈≈≈≈ 430 do 450 nm

Pt,≈

100 nm

TiO2,

≈ 30 nm

SiO2,

≈ 450 nm

Si

5 mm

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

∆T (K)

E (kV/cm)

8/65/35 PLZT thin film

direct measurements

at 318 K

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

8/65/35 PLZT thin film

direct measurements

at 318 K

∆S/m

(J/kgK)

E (kV/cm)

100 nm

Direktne meritve elektrokaloričnega efekta na IJS

Lu et al, Appl. Phys. Let. 97 162904 (2010)

MIDEM, 26. 5. 2011 36



19

Lu et al, Appl. Phys. Let. 97 162904 (2010)

“Figure of merit”Maksimalna učinkovitost

∆∆∆∆T/∆∆∆∆E in ∆∆∆∆S/∆∆∆∆E za različne vzorce.

MIDEM, 26. 5. 2011 37

Slovenija: Kje smo?

Institut “Jožef Stefan”Odsek za elektronsko keramiko: http://www-k5.ijs.si/Piezoelektriki: volumenski materiali, tanke in debele plasti Prosojni prevodni oksidi: In2O3:ZnO: Ga2O3

Tehnologije: sito-tisk, brizgalno tiskanjeElektrokaloriki

Močni v raziskavah materialov, vendar pa razdrobljeni in šibko povezani z ostalimi področji.

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehnikoLaboratorij za fotovoltaiko in optoelektroniko : http://lpvo.fe.uni-lj.si/ materiali (Si, Graetzel tip), naprave, moduli, sistemi

Kemijski inštitut: http://www.ki.si/en/L02 Laboratorij za spektroskopijo materialovCO: Nizko oglične tehnologije, CO NOT

Fotovoltaični materiali: DSSC tip

MIDEM, 26. 5. 2011 38



20

Testni vzorci PZT na korundni podlagi pripravljeni z metodo sito-tiska.

Piezoelektrične debele plasti PZTFibre optic cable

controller

Opto-electronic

V

A

B

head

Optical sensor

Merjenje piezoelektričnih koeficientov

Simulacije

MIDEM, 26. 5. 2011 39

brizgalno tiskanje “drop-on-demand”

Kapljice nastajajo le, če to zahtevamo

http://www.dimatix.com

Vzorčenje: brizgalno tiskanje

Komercialna glava tiskalnikaBrizgalni tiskalnik Dimatix

MIDEM, 26. 5. 2011 40



21

Šoba

Rep

Kapljica

Prosojni prevodni oksidi (In2O3:ZnO)

• Kontrolirano iztekanje raztopin

• Možnost printanja na različnih podlagah

• Prosojno na steklih in polimerih

Dobro definirane strukture

Meritve kontaktnega kota

In2O3/ZnO 89.3/10.7wt%

Alkoksidne in acetatne raztopine v 2-metoksietanolu

Nanos iz raztopin

Kamera za opazovanje

kapljic

AFM

FESEM

500µm

40 µm

SiOx/Si

IZO

Raztopina prilagojena za tiskanje

MIDEM, 26. 5. 201141

Procesiranje keramičnih tarč

→ Sinteza v trdnem stanjuVisoko-kvalitetni začetni materiali, homogenizacija začetnih materialov, predžganje, sintranje, optimizacija sintranja T, atmosfere, časa.

Cilj je zmanjšati število korakov procesiranja, da bi se izognili kontaminaciji.

Plastični pripomočki Visoko-energijski mlin Peč za sintranje

MIDEM, 26. 5. 2011 42



22

Sinteza keramike v sistemu In2O3: ZnO : Ga2O3

In2O3

In2ZnGa2O7

1450oC

In2O3

ZnGa2O4

In2ZnGa2O7

1350oC

Sinteza v trdnem stanju

Mehanokemična aktivacija

ZnO-In2O3-Ga2O3 fazni diagram

MIDEM, 26. 5. 2011 43

Tarča za naprševanje

Od keramike do naprave

20 30 40 50 60 70

300

600

IZO

2 Theta (degree)

IZO:Zr

Napršene tanke plasti pripravljene iz

visoko-kakovostnih keramičnih tarč so

gladke in amorfne.

RMS=0.5 nm

Slika površine tanke plasti narejena z mikroskopom na

atomsko silo

Rentgenski spekter tanke plasti

Tanko-plastni tranzistor

Naprševanje

Ob

likovan

je

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 3510

-13

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

IG

I D (A)

VG (V)

W/L= 25/25

VD= 20 V

ID

Napetostni prag = 4VGVS (Gate voltage swing) = 0.5V/decRazmerje On/Off = 108

Mobilnost = 55 cm2/Vs

Karakterizacija

n-kanalna TFT naprava

MIDEM, 26. 5. 201144

P. Barquinha et al, J Electrochemical.Soc. 156 2009



23

Dela so bila narejena v okviru programa ARRS P2-0105

Ob sofinaciranju Hyb d. o. o. in HIPOT R-R d. o. o.

5. OP PIRAMID, 6. OP MINUET, 6. OP MIND, 6. OP MULTIFLEXIOXIDES, 7.

OP ORAMA

Za konec:

Materiali bodo kot doslej krojili tehnično plat našega življenja.

Vabijo inventivne, pogumne raziskovalce in drzne realizatorje.

Zahtevajo pa nujno kompleksen pristop več znanj in spretnosti.

Tega pa je žal pri nas premalo!

MIDEM, 26. 5. 2011 45

ZAHVALA

Dr. Barbara Malič

Dr. Janez Holc

Dr. Marko Hrovat

Dr. Danjela Kuščer Hrovatin

Dr. Andreja Benčan

Dr. Tadej Rojac

Dipl. ing. Silvo Drnovšek

Dipl. ing. Jena Cilenšek

Ing. Srečko Maček

Tina Ručigaj

Darko Belavič, dipl. ing.

Dr. Marina Santo Zarnik

Mitja Jerlah

Prof. Nava Setter, EPFL, Lausanne

Prof. Rainer Waser, RWTH Aachen

Mrs. Wanda Wolny, Ferroperm Piezoceramics,

Copenhagen

Hvala za pozornost!

V slogi je moč!

MIDEM, 26. 5. 2011 46

materiali še kar osvajajo svet: globalno in lokalno · polimeri keramika kompoziti nano po...

Documents