Κεφάλαιο 5: Νανοτεχνολογία

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Κεφάλαιο 5: Νανοτεχνολογία"

Κίρκη Δαγκλής
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Μικροσυστήματα και Τεχνολογία Κεφάλαιο 5: Νανοτεχνολογία Τσουκαλάς Δημήτριος

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Crea%ve Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

Η κλίµακα των αντικειµένων Φυσικά αντικείµενα Τεχνητά αντικείµενα Head of a pin 1-2 mm Dust mite -5 10 m Red blood cells (~7-8 µm) 10-6 m Nanoworl d 10-7 m ~10 nm diameter 10-8 m ATP synthase 0.

3 Η κλίµακα των αντικειµένων Φυσικά αντικείµενα Τεχνητά αντικείµενα Head of a pin 1-2 mm Dust mite m Red blood cells (~7-8 µm) 10-6 m Nanoworl d 10-7 m ~10 nm diameter 10-8 m ATP synthase 0.01 mm 10 µm m S S S S S S S S 1,000 nanometers = 1 micrometer (µm) 0.01 µm 10 nm 1 nanometer (nm) Soft x-ray Atoms of silicon spacing nm Pollen grain Red blood cells P Zone plate x-ray lens uter ring spacing ~35 nm 0.1 µm 100 nm 10-9 m DNA ~2-1/2 nm diameter MicroElectroMech anical (MEMS) devices µm wide 0.1 mm 100 µm Infrared Fly ash ~ µm Microwor ld Human hair ~ µm wide 10-4 m Visible 200 µm 1,000,000 nanometers = 1 millimeter (mm) Microwave 10-3 m Ultraviolet Ant ~5 mm The Challenge 0.1 nm Self-assembled, Nature-inspired structure Many 10s of nm Fabricate and combine nanoscale building blocks to make useful devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage. Nanotube electrode Carbon buckyb all ~1 nm Carbon nanotube ~1.3 nm diameterdiamete r Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm ffice of Basic Energy Sciences ffice of Science, U.S. DE Version , pmd

4 Nanotechnologies Νανο-αντικείµενα (2) Ενα νανο-αντικείµενο (Nano-object) είναι ένα υλικό µε 1,2 ή 3 εξωτερικές διαστάσεις µικρότερες των 100nm. Συνήθως θεωρούµε 3 διαφορετικές κατηγορίρες : - 0D : 3 νανοµετρικές διαστάσεις => Nανοσωµατίδια. - 1D : 2 νανοµετρικές διαστάσεις, 1 µεγάλη => Nανοσύρµατα - 2D : 1 νανοµετρική διάσταση, 2 µεγάλες => Nανοφίλµ 2

5 Nanotechnologies Nanosciences (1) Study of the performance of ultra-small structures, materials, and devices, usually from 1 to 100 nm where the properties are specific of the ultra-small size (different from the bulk). It concerns also, the study of manipulating materials on an atomic or molecular scale. Nanotechnologies (1) Technologies allowing the elaboration, study, observation and measurements of such objects, structures and systems. It concerns also the field of nanoscience applications. (1) IS/TR 12885:2008 3

6 Nanotechnologies History 1959 : Richard FEYNMAN (Physics Nobel Price in1965) There's plenty of room at the bo5om." => Nanoscience first captured the world's attention when Nobel Prize winner Richard Feynman delivered his famous 1959 speech "There's Plenty of Room at the Bottom." Feynman advocated widespread nanoscale research and predicted, there is plenty of research room at the bottom of the atomic world in a tiny universe so small that new methods for viewing it are still being discovered. 4

7 Nanotechnologies History 1981 : Birth of the tunelling microscopy => Atom observation 1982 : First images of individual atoms! => Heinrich Rohrer &Gerd Binnig (IBM) 1989 : First atom handling one by one => Donald M. Eigler used a tunnelling microscope to write «IBM» using 35 argon atoms : Discovery of Carbon Nano-Tubes (CTN) =>Sumio Iijima 5

8 Nanotechnologies Απήχηση της Νανοτεχνολογίας ü Τεχνολογία της Πληροφορίας Ταχύτερα και μικρότερης κατανάλωσης ηλεκτρονικά Ασύρματοι αισθητήρες παντού! ü Διατάξεις συγκομιδής ενέργειας απο το περιβάλλον ü Νανοιατρική 6

9 Nanotechnologies Ηλεκτρονικά Πόσο άλλαξε η ηλεκτρονική σε 40 χρόνια! 7

10 Nanotechnologies Αν η αυτοκινητοβιομηχανία είχε ακολουθήσει ένα παρόμοιο νόμο μια Rolls- Royce θα κόστιζε λιγότερο από ένα Ευρώ! 8

11 Nanotechnologies Εποχή του Πυριτίου ProjecUon of criucal device dimensions 9

12 Nanotechnologies Εποχή του Πυριτίου 10

Nanotechnologies Προοπτικές της νανο- ηλεκτρονικής μέχρι το 2030 Η έρευνα με βάση το πυρίτιο για διατάξεις μεγέθους 5 nm θα συνεχισθεί και θα ολοκληρωθεί Πιθανόν το υλικό του καναλιού να αποτελείται

13 Nanotechnologies Προοπτικές της νανο- ηλεκτρονικής μέχρι το 2030 Η έρευνα με βάση το πυρίτιο για διατάξεις μεγέθους 5 nm θα συνεχισθεί και θα ολοκληρωθεί Πιθανόν το υλικό του καναλιού να αποτελείται από υλικό μεγαλύτερης ευκινησίας από το πυρίτιο για μεγαλύτερη ταχύτητα των κυκλωμάτων και μικρότερη ηλεκτρική κατανάλωση. Η βασική τεχνολογία κατασκευής θα παραμείνει η ίδια και η εργοστασιακή επένδυση θα μεγαλώσει (σήμερα είναι στα 1,5 Δισ.) 11

Nanotechnologies Προοπτικές της νανο- ηλεκτρονικής μέχρι το 2030 Τρισδιάστα ηλεκτρονικά θα ενσωματώνουν διαφορετικές ψηφίδες επίπεδης τεχνολογίας για ελαχιστοποίηση του όγκου.

14 Nanotechnologies Προοπτικές της νανο- ηλεκτρονικής μέχρι το 2030 Τρισδιάστα ηλεκτρονικά θα ενσωματώνουν διαφορετικές ψηφίδες επίπεδης τεχνολογίας για ελαχιστοποίηση του όγκου. Ασύρματοι μικρο και νανοαισθητήρες με υψηλή ευαισθησία θα μεταφέρουν δεδομένα για το περιβάλλον αλλά και τον ανθρώπινο οργανισμό και θα βοηθούν την καθημερινότητά μας. Το γραφένιο, τα οργανικά ηλεκτρονικά, τα νανοκαλώδια, τα νανοσωματίδια θα βοηθήσουν στην εξέλιξη ηλεκτρονικών σε εύκαμπτες επιφάνειες (ρούχα, αντικείμενα) και την δημιουργία του internet of things. 12

Nanotechnologies Προοπτικές μέχρι το 2050 Η χρήση μορίων σε αντικατάσταση του τρανζίστορ (διακόπτη) ή για αποθήκευση πληροφορίας (μνήμες) θα αποτελεί πραγματικότητα.

15 Nanotechnologies Προοπτικές μέχρι το 2050 Η χρήση μορίων σε αντικατάσταση του τρανζίστορ (διακόπτη) ή για αποθήκευση πληροφορίας (μνήμες) θα αποτελεί πραγματικότητα. Η ψηφίδα θα αποτελείται από ένα σύνολο συρμάτων για την μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων και μορίων σαν ενεργών στοιχείων Οικονομικά προσιτή τεχνολογία κατασκευής ηλεκτρονικών Αυτό- οργάνωση σαν μέρος της νέας τεχνολογίας κατασκευής 13

16 Nanotechnologies 14

17 Nanotechnologies Μέχρι το 2030 αναμένουμε Ολοκληρωμένες διατάξεις παραγωγής ενέργειας των ηλεκτρονικών! Υπό μορφή λεπτών υμενίων, νανοσυρμάτων και κβαντικών τελειών Φωτοβολταικά Μπαταρίες Θερμοηλεκτρικά Bi2Te3 Silicon nanowires Θα οδηγηθούμε σταδιακά σε πλήρως ενεργειακά αυτόνομα ηλεκτρονικά συστήματα! Η τάση αυτή θα συνεχίζεται με νέα υλικά μέχρι το

18 Το chip του µέλλοντος? Ετερογενής ολοκλήρωση διάφορων λειτουργιών 16

19 Nanotechnologies Nanotechnology in Health and Medical Systems 11 topics idenjfied in a sectoral report available to download at: h5p:// Tissue Engineering/Regenerajve Medicine Bio Nano Structures Drug Encapsulajon / Drug Delivery / Drug Targejng Molecular Imaging Biophotonics Biocompajble implants Biomimejc Membranes Biochips/HighThroughput Screening Lab- on- a- chip Biomolecular sensors 17

20 Nanotechnologies Νανο- ιατρική Περιληπτικά η νανοτεχνολογία µπορεί να συνεισφέρει στην ιατρική για ü ü Καλύτερη απεικόνιση: in vitro, in vivo Καλύτερη διάγνωση: Βιοαισθητήρες ü Καλύτερη θεραπεία: κατεύθυνση και ενεργοποίηση φαρµάκων 18

21 Nanotechnologies Καλύτερη απεικόνιση (in vitro, in vivo): à Κβαντικές τελείες Παρακολούθηση της πορείας µορίων και κυττάρων στα οποία έχουν προσδεθεί οι κβαντικές τελείες. Παρουσιάζουν µεγάλη σταθερότητα στον χρόνο! Κβαντικές τελείες προσδεδεμένες σε καρκινικά κύτταρα Researchers Night

22 Nanotechnologies 20

23 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΚΑΙ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Top- down vs Bo5om- up approach 21

24 E-beam lithography 22

25 Nanoimprint Lithography 23

26 Η Νανοκρυσταλλική µνήµη Νανοσωµατίδια σαν στοιχεία αποθήκευσης φορτίου Proposed by S. Tiwari et al in 1996 ΚΥΡΙΑ ΠΛΕΟΝΕΤΗΜΑΤΑ Ανεξάρτητη φόρτιση + Coulomb blockade ü Αποφυγή συνολικής αποφόρτισης της µνήµης λόγω κάποιας ατέλειας στο οξείδιο σήραγγας ü Περιορισµένος αριθµός ηλεκτρονίων στα νανοσωµατίδια ü Προοπτική για ένα νανοσωµατίδιo / τρανζίστορ

27 Μνήµες τύπου Flash (Μη πτητικές µνήµες) Basic Memory Cell Structure Write/Erase I-V Characteristics Αποθήκευση φορτίου στην επιπλέουσα πύλη έχει αποτέλεσµα την ολίσθηση της τάσης κατωφλίου (ΔV th ) του The Memory Window

28 Η προσέγγισή µας: Νανοκρύσταλλοι που κατασκευάζονται µε εµφύτευση χαµηλής ενέργειας Si, 1 kev Si 2 Implantation e.g. 1 kev Si + Si 2 Annealing at T>900 C. in N 2 Si Si Si Formation of 2-D nanocrystal arrays by low energy I/I Advantage: ion implantation manufacturability

29 Η τεχνολογία θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί όχι µόνον για µή πτητικές αλλά και για πτητικές µνήµες t inj Si wafer t inj = 1.5nm 2.5nm Fast W/E times (ns) can be achieved due to Direct Tunneling t inj Si wafer t inj = 5nm 8nm Slow W/E times (µs) can be achieved due to F-N Tunneling

$10 15 20 depth (nm) ncs depth-distribution + volume fraction$

30 Si Poly-Si Tof-SIMS characterization Si2 Si2 1 tofsims Si2 0,1 0, depth (nm) ncs depth-distribution + volume fraction measurements

31 Injection distance: HREM images 15 Number of ncs Sample 541 Dtunn 10 mean =5,3 nm σ = 0,6 nm D tunnel (nm) measurement of the individual distances (sizes) => distributions

32 Νανοσωµατίδια όµως µπορούν να κατασκευασθούν και µε χηµική σύνθεση Transmission electron micrograph of Au nanoparticles Και να εναποτεθούν στο οξείδιο πύλης ενός συµαβατικού MSFET µέσω τεχνικών µοριακής πρόσδεσης

33 Μέθοδοι παρασκευής και εναπόθεσης νανοσωματιδίων Au 1. Με ενεργοποίηση του υποστρώματος με αμίνη Δημιουργία & Ενεργοποίηση Επιφάνειας Au- nps Χαρακτηρισμός ΤΕΜ 4- mercaptobenzoic acid: NaBH 4 :HAuCl 4 S S S - ΝΗ2 - - ΝΗ2 - - ΝΗ2 - - ΝΗ2 ~6nm - 7nm Χαρακτηρισμός AFM 1ml APTES: 9ml toluene Ενεργοποίηση Επιφάνειας Si 2 Τεχνολογία Αυτο- οργανωμένων Υλικών Χαμηλές Θερμοκρασίες 31

34 Μέθοδοι παρασκευής και εναπόθεσης νανοσωματιδίων Au 2. Με την τεχνική Langmuir- Blodge} (LB) tri- n- octylphosphine oxide (TP) Χαρακτηρισμός ΤΕΜ P= H 2 N 60 nm Χαρακτηρισμός AFM octadecylamine Σχηματικό διάγραμμα ενός νανοσυμπλέγματος Au, το οποίο έχει αδρανοποιηθεί με TP και οκταντεκυλαμίνη και είναι κατάλληλο για LB εναπόθεση. Τεχνολογία LB Χαμηλές Θερμοκρασίες Paul et al. Nano Le-ers 3, (2003) Μέση διάμετρος νανοσωματιδίων Au: ~ 8 nm. 32

35 Μέθοδος Langmuir- Blodge} Εναπόθεση μονομοριακών οργανικών υμενίων Arachidic Acid (C 20 H 40 2 ) Cd 33

36 Τεχνική Μονωστρωματικής Εναπόθεσης Υλικών Langmuir- Blodge} 34

37 Dip-pen nanolithography 35

38 Nanoparticle Source We have investigated electrostatic self-assembly of nanoparticles and stwald-ripening (ref. 1,2,3): 1. Nanotechnology 2009, Nanotechnology 2011, J. Materials Research, Special Issue on Self-Assembly 2011 Here, we focus on nanoparticle applications. 36

TEM images 25 20 Frequency (%) 20 10 Frequency (%) 15 10 5 0 2 4 6 8 Diameter (nm) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Diameter (nm) 8 min 16 min

39 TEM images Frequency (%) Frequency (%) Diameter (nm) Diameter (nm) 8 min 16 min 25 Pt nps Frequency (%) Frequency (%) Diameter (nm) 10 min Diameter (nm) 24 min 37

Demonstration of chemical sensor Gold Interdigitated electrodes formed Nanoparticles deposited on lithographically defined area Ink-jet printing of

40 Demonstration of chemical sensor Gold Interdigitated electrodes formed Nanoparticles deposited on lithographically defined area Ink-jet printing of polymer on top of nanoparticles INK-JET DEPSITIN F PLYMER (PHEMA) Mic rosc ope with C C D THE SENSR Pre c isio n pump XYZ Stage Mo to rize d X- Y sta g e 38

41 Principle of operation 39

42 Deposition of gold nanoparticles* by ink-jet printing Coffee ring effect observed *Gold np Colloid: 100 nm gold nanoparticles with citrate capping layer 40

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικόυ έργου του διδάσκοντα Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.

43 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικόυ έργου του διδάσκοντα Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.

Σχετικά έγγραφα

Microworl. Nanoworl. The Challenge. 1 cm 10 mm Head of a pin 1-2 mm. 10-2 m. 1,000,000 nanometers = 1 millimeter (mm) Ant ~ 5 mm.

Microworl. Nanoworl. The Challenge. 1 cm 10 mm Head of a pin 1-2 mm. 10-2 m. 1,000,000 nanometers = 1 millimeter (mm) Ant ~ 5 mm. Soft x-ray Nanoworl d Microworl d Ultraviolet Visible Infrared Microwave Φυσικά αντικείμενα Η κλίμακα των αντικειμένων 10-2 m 1 cm 10 mm Τεχνητά αντικείμενα Head of a pin 1-2 mm The Challenge Ant ~ 5 mm