Opakovanie zo 7. lekcie Nanoelektronika

Transcript

1 Opakovanie zo 7. lekcie Nanoelektronika Čím sa líšia polovodiče a izolanty? Keď zvýšime teplotu kovu, jeho elektrická vodivosť klesne (odpor vzrastie). Platí to isté aj pre polovodiče? Prečo? Ak k sebe priložíme polovodič typu P a typu N, ako sa zmení koncentrácia voľného náboja na ich rozhraní? Ako sa nazýva elektronická súčiastka, ktorá využíva externé fotóny prenikajúce do P-N rozhrania na tvorbu elektrón-dierových párov? Akým spôsobom vyrobí brána (G-gate) v tranzistore MOSFET vodivé prepojenie medzi vstupnou (S) a výstupnou (D) elektródou tranzistora? Z čoho sú vyrobené logické hradlá vo vnútri súčasných mikroprocesorov? Vymenujte aspoň tri problémy, ktorým čelíme pri ďalšom zmenšovaní polovodičových štruktúr v mikroelektronike. Je možné syntetizovať chemickú molekulu schopnú samostatne usmerniť smer elektrického prúdu? Ako sa nazýva vedný odbor, ktorý sa venuje tejto problematike? Ako sa prejaví pri nabíjaní kovovej nanočastice jedným elektrónom tzv. Coulombova blokáda?

2 Lekcia 8 Uhlíkové nanoštruktúry F3370 Úvod do nanotechnológií 2015

3 Uhlík, elektrónová štruktúra Elektrónová konfigurácia C: 1s 2 2s 2 2p x 1 2p y 1 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 Hybridizácia orbitálov C-C : sp 3 hybridný orbitál sp 2 hybridný orbitál Vrstevnatá štruktúra grafitu Tetrahedrálna štruktúra diamantu

4 Vlastnosti diamant vs. grafit Energetický diagram pre diamant a uhlík Vodivostný pás Zakázaný pás Z polovice zaplnený vodivostný pás Valenčný pás Diamant je izolant, grafit je veľmi dobrý elektrický vodič Grafit je mäkký pre slabú π väzbu sprostredkovanú 2p z orbitálmi Diamant je mimoriadne tvrdý (10 Mohr vs. 1,5 Mohr pre grafit) Diamant sa postupne mení na grafit.

5 Fulerény / Fullerenes Fulerény sú sférické molekuly (klastre) zložené z päť- alebo šesť- početných kruhov atómov uhlíka. Pomenované podľa architekta Richarda Buckminstera "Bucky" Fuller-a Hmotnostná spektroskopia produktov rozprašovania uhlíkového disku laserovým lúčom vo vysokom vákuu odhalila molekulu C 60. Príčinou je separácia jednej grafitovej vrstvy, ktorá následne vytvorí C Nobelova cena za chémiu (Robert Curl, Richard Smalley, Harold Kroto) C 60 priemer 0,7 nm Pôvodný experiment podľa Nature 318, 1985 (študovali mechanizmus vzniku uhlíkových reťazcov vo vesmíre ) Montréal Biosphère EXPO 67 C 70 (rugby ball) C 78 atď.

6 Vlastnosti a aplikácie C 60 Mimoriadne mechanicky stabilná molekula (vydrží 3000 atm.) Je možné pripraviť mimoriadne čisté vzorky (99,99%) Chemicky stabilné, mierne elektronegatívne (schopné prijať až 3 elektróny) C 60 je polovodič, je možné z neho deponovať tenké vrstvy. Alkáliami dopované C 60 (A 3 C 60, A=K,Rb a Cs) sú supravodivé Chemické úpravy zahŕňajú: 1. Úprava vonkajšieho povrchu fulerénu exohedrálne fulerény 2. Umiestnenie atómu, iónu, klastra do vnútra fulerému endohedrálne fulerény 3. Usporiadanie fulerénov do 2D, 3D štruktúr, a to aj s pomocou (1) a (2) viď. nasledujúci slide

7

8 Uhlíkové nanorúrky (nanotrubky) / Carbon nanotubes Sumio Iijima 1991 pri pozorovaní uhlíkových sadzí z oblúkového výboja v nízkotlakom argóne. Poznáme SWNT single walled carbon nanotubes a MWNT multiple walled carbon nanotubes. Fyzikálne vlastnosti uhlíkovej nanorúrky závisia (pre jednoduchosť SWNT) od spôsobu zrolovania elementárnej grafitovej vrstvy grafénovej vrstvy. MWNT cez TEM SWNT podľa grafika

9 armchair chiral zig-zag chiral

10 Chirálny vektor definuje spôsob zrolovania Pre priemer nanotrúbky platí: Ak je (n 1 -n 2 ) resp. (n 2 -n 1 )násobkom 3, potom je rúrka elektrický vodič. Inak je polovodič armchair 0,0 6,6 9,6 5,5 8,5 11,5 4,4 7,4 10,4 3,3 6,3 9,3 12,3 2,2 5,2 8,2 11,2 1,1 2,1 4,1 7,1 10,1 13,1 1,0 2,0 3,0 6,0 9,0 12,0 vodič polovodič zig-zag

11 Výroba nanorúrok/nanotrubek Problémy: Homogenita výťažku, energetická účinnosť, scaling na veľkovýrobu Hlavné metódy: oblúkový výboj (odparovanie uhlíkových elektród s prípadným dopovaním kovmi) laserové odparovanie (uhlíkový terč) depozícia chemických pár CVD. Vysokou teplotou alebo plazmou rozbíjame plynný uhlíkový prekurzor. Atomárny uhlík následne kondenzuje na substráte na kovových katalytických centrách, viď obr.: Viac informácií na prednáške F3390 Výroba mikro a nanostruktur alebo napr.:

12 Aplikácie nanorúrok/nanotrubek Výstužné vlákna rádovo 100x vyššia medza pevnosti pri 6x menšej hmotnosti (napr. kozmický výťah). Kompozity. Pokusy so spriadaním nanovlákien (viď. obr.) Nanopumpa, laserom ovládaná osvitom sa nanotrúbka rozvlní, doprava niekoľkých atómov na presné miesto Absorpcia vodíka schopnosť pohltiť až 40% H 2, bežné metódy iba 5 hm.%. Absorpcia Li + batérie (480 ma h/g vs. 330 ma h/g - D.Y. Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 79, 3500 (2001)). Separácia trícia 40x väčšia absorpcia než 1 H Nové hroty pre AFM a STM. Vďaka malému rozmeru je možný AFM semikontaktný (tapping) mód na kvapalinách. Možná funckionalizácia konca CNT. STM umožní emisný prúd až A/m 2 Senzory s rýchlou reakciou

13 Aplikácie nanorúrok v elektronike Polovodiče, PN prechody, FET tranzistory. IBM už oznámila vyrobený 9mm CNTFET (2012). Výborná teplotná vodivosť pozdĺž trúbiek, malý prestup naprieč trúbkami = možnosť odvádzať teplo z horúceho jadra procesoru na väčšiu plochu Pamäťový prvok, fulerén na jednom/druhom konci trubky, prepínanie/čítanie elektrickým poľom na konci trubiek, Terabity v cm 3 Schéma FET tranzistorov IBM CNTFET bit 0 Infineon bit 1 H Park et al. Nature Nanotechnology (2012) Pamäťový prvok

14 Prehľad nanotrúbiek z iných materiálov H-E Schaefer Nanoscience, 2010 Chap.5

15 Grafény Individuálnu sp 2 vrstvu grafitu grafén sa podarilo pripraviť iba nedávno Nobelova cena pre Andre Geim a Konstantin Novoselov (University of Manchester, 2004) Novoselov a Geim použili na výrobu lepiacu pásku (exfoliated graphen). Tým, že dokázali, že samostatný grafén je vďaka pružnosti termodynamicky stabilný (v rozpore s predpoveďou Landau a Peierls 1935) inšpirovali ďalších k vývoju nových techník prípravy epitaxný rast, chemická redukcia Aplikácie: experimenty, grafén je základnou stavebnou jednotkou nanotrubiek aj fulerénov. Je to ideálny 2D kryštál, deje pre 2D fermiónový plyn Spinotronika - slabá spin-orbitálová interakcia, stredná dráha spinu je na úrovni μm aj pri izbovej teplote. Priesvitné elektricky vodivé elektródy Flexibilné solárne články (transparentná anóda) Integrované obvody (IBM) Graphén-oxidové membrány sú priepustné iba pre H 2 O čistenie, desalinácia - Umožňuje kvantový Hallov jav pri izbovej teplote (ale vysoké B) odporový etalón (metrológia)

16 Hallov a kvantový Hallov jav Klasický Hallov jav (1879 Edwin H. Hall) F H =q (v x B) Experimentálny dôkaz, že prúd je prenášaný elektrónami, Hallova sonda- meranie magnetických. polí. Kvantový Hallov jav (Klaus von Klitzing, Nobel 1985) vzniká vo veľmi tenkých (2D) štruktúrach ako dôsledok Landauových hladín. Landauove hladiny externé pole B zmení trajektórie e - na kružnice, kde majú kvantované energie. Zreteľné len pri nízkych teplotách. Rast R kvôli stratám pri excitácii e -

17 Čo priniesol grafén? Napriek tomu, že existuje viacero známych 2D štruktúr, grafén vďaka svojej mimoriadnej pravidelnosti je špeciálne vhodný na štúdium základných fyzikálnych javov. Pohyb elektrónov je možné popísať Diracovou relativistickou rovnicou (QED kvantová elektrodynamika), s nehmotnými relativistickými časticami (tzv. Diracove fermióny). Šanca experimentálne verifikovať závery QED. Okrem samotného kvantového HJ je napríklad zaujímavá kvantové minimum elektrickej vodivosti čiže vodivosť bez elektrického náboja. Mimoriadne vysoká pohyblivosť nosičov náboja pri izbovej teplote ( vs cm 2 /V.s pri 300K) => malý šum, citlivý atomárny detektor. Po zvládnutí prípravy grafénových waferov možnosť využiť nové javy v elektronike. Grafénový tranzistor SEM obrázok grafénu L. A. Ponomarenko, et al. Science 320, 356 (2008)

18 Zhrnutie A. Hirch, Nature materials, Vo. 9, Nov. 2010