Dot fali drutach

Universitas
Jagellonica
Cracoviensis
Nanotechnologia
Wykład I
J.J. Kołodziej
Pokój: G-0-11, Łojasiewicza 11
Tel.+12 664 4838
[email protected]
http://users.uj.edu.pl/~jkolodz
Wykłady dla 1 roku ZMiN II stopnia Semestr zimowy 2016/2017
Literatura do wykładu:
1)
R. Wasser (ed.) “Nanoelectronics and Information Technology”, Willey-VCH,
2003
2) 2) G. Timp (ed.), “Nanotechnology”, Springer-Verlag, 1999
3) 3) W. R. Fahrner “Nanotechnology and Nanoelectronics”, Springer-Verlag,
2005
4) C. Dupas (ed.) Nanoscience, Nanotechnologies and Nanophysics (Springer
2007)
5) T. Ando et al.. Mesoscopic Physics and Electronics (Springer 1998)
6) M. Grundman, The Physics of Semiconductors (An Introduction Including
Devices and Nanophysics), Springer 2006.
7) E.P. Wohlwarth, Ferromagnetic Materials, North Holland 1982
8) P. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors, Springer 1999.
9) G.S. Rohrer, Structure and Bonding in Crystalline Materials, Cambridge
University Press 2001
10) Odnośniki podane przy konkretnych zagadnieniach –głównie do artykułów w
czasopismach naukowych
Definicje i jednostki
Nanostruktury – obiekty mające przynajmniej jeden z wymiarów w zakresie 1 100 nanometrów (10 -7 m)
Mikrometr (mm) = 1000 nanometrów
Nanometr (nm)= 10 Angstremow = 1000 pikometrów (pm)
Angstrem (Å) 100 pikometrow = 0.1 nanometra
Pikometr (pm)
Jednostka atomowa (promień Bohra) = 0.529 Å = 52.9 pm
Co zawiera pojęcie nanotechnologia?
(o czym będzie ten cykl wykładów …)
1. Wiedzę o fundamentalnych zjawiskach i procesach w nanoskali
2. Badania w celu wytworzenia nanostrukturalnych materiałów, urządzeń i
systemów nanoskalowych. Opisy kontrolowanej syntezy nanomateriałów
urządzeń i systemów nanoskalowych.
3. Rozwój instrumentów i narzędzi umożliwiających postęp w powyższych
dziedzinach (metrologicznych, diagnostycznych, produkcyjnych)
4. Badania stosowane w kontekście metod produkcyjnych nanomateriałów,
urządzeń i systemów nanoskalowych na skalę przemysłową
Mowa „założycielska” nanotechnologii
There's Plenty of Room at the Bottom
Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on
the head of a pin?
Let's see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch
across. If you magnify it by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is
then equal to the area of all the pages of the Encyclopaedia Brittanica.
Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the
Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the
eye is about 1/120 of an inch---that is roughly the diameter of one of the little
dots on the fine half-tone reproductions in the Encyclopaedia. This, when you
demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32 atoms
across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would
contain in its area 1,000 atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as
required by the photoengraving, and there is no question that there is enough
room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica.
R. Feynmann
Nanolitografia Dip-pen
(Science, 283, 661, 1999)
Wybrane wydarzenia z krótkiej historii nanotechnologii
1960 Wykład Feynmann’a o miniaturyzacji „There is plenty of room at the bottom”
1968 Alfred Cho and John Arthur z Bell Labs demonstrują technikę epitaksji z wiązki
molekularnej która pozwala nakładać nawet pojedyncze warstwy atomowe na
powierzchniach.
1974 Norio Taniguchi, Uniwersytet w Tokio wprowadza słowo „nanotechnologia”
1981 Gerd Binnig i Heinrich Rohrer budują skaningowy mikroskop tunelowy, który
umożliwia obrazowanie pojedynczych atomów (nagroda Nobla).
1985 Robert Curl, Harold Kroto i Richard Smalley odkrywają fulereny – molekuły węgla o
średnicach około 1 nm.
1989 Donald Eiger z układa napis “IBM” z pojedynczych atomów
1991 Sumio Iijima odkrywa nanorurki węglowe.
1998 W Delft Univ of Technology zbudowano tranzystor na bazie nanorurki węglowej.
1999 James Tour i Mark Reed z Yale demonstrują przełączniki oparte na pojedynczych
molekułach (pomiędzy ostrzami)
2000 Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna (National Nantotechnology Initiative)badania w kierunku nanotechnologii wsparte znaczącymi funduszami w Stanach
Zjednoczonych (nieco później w Japonii i Europie).
2000 Eigler z IBM demonstruje miraż kwantowy umieszczając magnetyczny atom w
eliptycznym pierścieniu atomów na powierzchni.
2001 IBM/Delft Univ. – demonstrują układy logiczne na nanorurkach węglowych
2004 Novoselov i Geim separują grafen z grafitu
2005 Rozmiary tranzystorów FET w procesorach i pamięciach (Intel i inni) schodzą poniżej
100 nm (w domenę nanotechnologii)
Nagrody Nobla z fizyki pozostające w związku z
nanotechnologią/nanostrukturami/układami niskowymiarowymi
The Nobel Prize in Physics 2016 David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane and J. Michael Kosterlitz
"for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter"
The Nobel Prize in Physics 2014 Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the
invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light
sources"
The Nobel Prize in Physics 2010 Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking
experiments regarding the two-dimensional material graphene"
The Nobel Prize in Physics 2007 Albert Fert and Peter Grünberg "for the discovery of Giant
Magnetoresistance"
The Nobel Prize in Physics 2000 "for basic work on information and communication technology„ Zhores I.
Alferov and Herbert Kroemer "for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and optoelectronics"
The Nobel Prize in Physics 1998 Robert B. Laughlin, Horst L. Störmer and Daniel C. Tsui "for their
discovery of a new form of quantum fluid with fractionally charged excitations"
The Nobel Prize in Physics 1986 Ernst Ruska "for his fundamental work in electron optics, and for the
design of the first electron microscope„ Gerd Binnig and Heinrich Rohrer "for their design of the scanning
tunneling microscope"
The Nobel Prize in Physics 1985 Klaus von Klitzing "for the discovery of the quantized Hall effect"
The Nobel Prize in Physics 1973 Leo Esaki and Ivar Giaever "for their experimental discoveries regarding
tunneling phenomena in semiconductors and superconductors, respectively"
Nagrody Nobla z chemii pozostające w związku z
nanotechnologią/nanostrukturami/układami niskowymiarowymi
The Nobel Prize in Chemistry 2016 Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa
"for the design and synthesis of molecular machines"
The Nobel Prize in Chemistry 2015 Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar "for mechanistic
studies of DNA repair"
The Nobel Prize in Chemistry 2014 Eric Betzig, Stefan W. Hell and William E. Moerner "for the
development of super-resolved fluorescence microscopy"
The Nobel Prize in Chemistry 2013 Martin Karplus, Michael Levitt and Arieh Warshel "for the
development of multiscale models for complex chemical systems"
The Nobel Prize in Chemistry 2012 Robert J. Lefkowitz and Brian K. Kobilka "for studies of G-proteincoupled receptors"
The Nobel Prize in Chemistry 2009 Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz and Ada E.
Yonath "for studies of the structure and function of the ribosome"
The Nobel Prize in Chemistry 2008 Osamu Shimomura, Martin Chalfie and Roger Y. Tsien "for the
discovery and development of the green fluorescent protein, GFP"
The Nobel Prize in Chemistry 2007 Gerhard Ertl "for his studies of chemical processes on solid surfaces"
The Nobel Prize in Chemistry 2006 Roger D. Kornberg "for his studies of the molecular basis of
eukaryotic transcription"
The Nobel Prize in Chemistry 2002 "for the development of methods for identification and structure
analyses of biological macromolecules„ John B. Fenn and Koichi Tanaka "for their development of soft
desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules"
Kurt Wüthrich "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the threedimensional structure of biological macromolecules in solution"
The Nobel Prize in Chemistry 1996 Robert F. Curl Jr., Sir Harold W. Kroto and Richard E. Smalley
"for their discovery of fullerenes"
The Nobel Prize in Chemistry 1993 "for contributions to the developments of methods within DNA-based
chemistry„ Kary B. Mullis "for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method„ Michael Smith
"for his fundamental contributions to the establishment of oligonucleotide-based, site-directed mutagenesis and
its development for protein studies"
The Nobel Prize in Chemistry 1989 Sidney Altman and Thomas R. Cech"for their discovery of catalytic
properties of RNA"
The Nobel Prize in Chemistry 1982 Aaron Klug "for his development of crystallographic electron
microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes"
The Nobel Prize in Chemistry 1980 Paul Berg"for his fundamental studies of the biochemistry of nucleic acids,
with particular regard to recombinant-DNA„ Walter Gilbert and Frederick Sanger "for their contributions
concerning the determination of base sequences in nucleic acids"
The Nobel Prize in Chemistry 1973 Ernst Otto Fischer and Geoffrey Wilkinson "for their pioneering work,
performed independently, on the chemistry of the organometallic, so called sandwich compounds"
The Nobel Prize in Chemistry 1972 Christian B. Anfinsen "for his work on ribonuclease, especially concerning
the connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation„ Stanford Moore and
William H. Stein "for their contribution to the understanding of the connection between chemical structure and
catalytic activity of the active centre of the ribonuclease molecule"
The Nobel Prize in Chemistry 1964 Dorothy Crowfoot Hodgkin "for her determinations by X-ray
techniques of the structures of important biochemical substances"
The Nobel Prize in Chemistry 1962 Max Ferdinand Perutz and John Cowdery Kendrew
"for their studies of the structures of globular proteins"
Zagadnienia dyskutowane w ramach tego cyklu wykładów (Nanotechnologia)
1. Rozważania wstępne o technologii
2. Samoorganizacja i samoskładanie, synteza chemiczna dużych cząsteczek.
3. Nanocząstki, roztwory koloidalne, metody wytwarzania nanocząstek na drodze kondensacji w gazach i w
roztworach
3) Struktura atomowa powierzchni krystalicznych vs. struktura objętościowa kryształów w skali atomowej.
Relaksacja powierzchni. Rekonstrukcja powierzchni. Energia powierzchni. Grupy symetrii dla powierzchni
krystalicznych.
4) Cienkie warstwy - technologie ultrawysokopróżniowe: epitaksja z wiązki molekularnej (MBE),
osadzanie warstw atomowych (ALD), technologie MOCVD i CVD.
5) Metody syntezy nanostruktur w oparciu o formy (template synthesis).
6) Metody katalityczne (np: VLS, LCG): synteza półprzewodnikowych nanodrutów, nanrurek , „drzew”
stojących na powierzchni.
7) Techniki syntezy fulerenów i nanorurek: łukowe, laserowe, pirolityczne, katalityczne/chemiczne.
8) Techniki litograficzne, optyczne, elektronowiązkowe, jonowowiązkowe,itd.
9) Przeniesienie wzoru litograficznego, implantacja, metalizacja, trawienie chemiczne i plazmowe,
10) Inne rodzaje litografii: litografia sondą skanującą, mikrodruk...
11) Litografia 3D: rentgenowska wiązka promieniowania synchrotronowego, stereolitografia, litografia
interferometryczna.
12) Nanolitografia w produkcji układów elektronicznych wielkiej skali integracji – granice rozdzielczości.
13) Współczesne trendy rozwojowe dla (nano)układów elektronicznych wielkiej skali integracji: materiały
„high-k” i „low-k”, materiały naprężone, geometrie nieplanarne,
14) Warstwy magnetyczne do zapisu danych -granica superparamagnetyczna
15) Bio-nano - inspiracje czerpane z natury
Co będzie na wykładzie Właściwości nanostruktur - w semestrze letnim 2015/2016
(zagadnienia, które są często włączane w zakres wykładów z nanotechnologii
1. Różnice we własciwościach fizycznych pomiędzy obiektami nanoskalowymi a makro(mikro) skalowymi. Np. czasy
parowania kropli wody, stałe czasowe transportu ciepła, dyfuzja, częstości drgań, czasy ruchu bezwładnego w ośrodku
lepkim, pojemności elektryczne.
2. Budowa materii oraz struktura elektronowa w kontekście izolowanych atomów/molekuł oraz układów periodycznych
(kryształów).
3. Oddziaływania międzyatomowe (molekularne). Promienie atomowe pierwiastków.
4. Oddziaływania orientacyjne, dyspersyjne, Casimira.
5. Zagadnienia termodynamiczne w kontekście nanostruktur. Obniżenie energii parowania przy przejściu do rozmiarów
nanoskalowych (model kroplowy). Temperatury przejść fazowych w nanoskali
8. Funkcje falowe elektronów prawie swobodnych w 1, 2, 3 wymiarach. Gęstości stanów elektronowych dN/dE dla
obiektów kwazi 1D, kwazi 2D, kwazi 3D.
9. Struktura elektronowa grafenu i nanorurek węglowych. Problem przewodzenia prądu przez paski grafenowe i
nanorurki węglowe.
11. Potencjał dla elektronu na granicy metal-próżnia.
12. Terminacja funkcji falowych elektronów z wnętrza kryształu przy powierzchni (ewanescencja). Postaci funkcji
falowych dla stanów powierzchniowych Shockleya.
13. Diagramy pasmowe dla granicy pomiędzy różnymi półprzewodnikami bez domieszek. Złącze metal-półprzewodnik
domieszkowany. Szerokość obszaru zubożonego
15. Przewodnictwo elektryczne normalne i balistyczne. Kwantowanie przewodności w nanodrutach.
16. Studnia kwantowa. Stany elektronowe studni kwantowej (1D) -przypadek studni nieskończonej i skończonej.
17. Funkcje falowe elektronu w kropce (studni) kwantowej 2D. Przypadek kropki prostokątnej i o symetrii kołowej.
Studnia paraboliczna 2D.
18. Przepływ prądu przez nanokropkę 2D w układzie SET. Sztuczny atom. Obszary stabilności kropki kwantowej.
19. Całkowity kwantowy efekt Halla IQHE.
20. Gigantyczna magnetorezystancja GMR
Dygresja historyczna… co nam może dać (nano)technologia
(zupełnie tego nie wiemy)
Eksperyment z ptakiem w próżni- na fali zainteresowania próżnią po
wynalezieniu pompy próżniowej przez Otto van Guericke c.1650
National Gallery, London, Joseph Wright of Derby :
"An Experiment on a Bird in the Air Pump", 1768
Takie doświadczenia pierwszy przeprowadził Robert Boyle, ok. 1660:
Szesnaście koni nie jest w stanie pokonać sił, których źródłem jest ciśnienie
atmosferyczne,
Otto von
Guericke,
Regensburg, c 1654.
Sprawność
maszyny
parowej
20
Newton
Leibnitz
15
Wydajnosc %
Pascal
Toricelli
Boyle
Mariotte
Guericke
Huyghens
Hooke
10
5
1700
1750
1800
1850
Lata
The History of Technology, ed. Ch. Singer..., Oxford Univ. Press. 1958
Otto von Guericke, eksperyment ratyzboński
Próżnia wciąga tłok do cylindra z potężną siłą…
Początki przemysłowej produkcja energii…
(maszyna parowa)
The History of Technology, ed. Ch. Singer, E.J. Holmgard, A.R. Hall, T.I. Williams, Oxford University Press 1958.
Pierwsze maszyny parowe Newcomena
zwane również atmosferycznymi były
maszynami próżniowymi
Długość cylindra: ~2m
Średnica cylindra: ~1 m
12 cykli /min
~ 5 kW
Sprawność 0.5 – 1 %
20
10
Newcomen
15
Wydajnosc %
Eksperymenty z próżnią
Newcomen, ok. 1712
5
1700
1750
1800
Lata
1850
Watt, 1780
Maszyna z zewnętrznym
kondenserem pary
Sprawność 3-4%
(z zasady dla maszyny
„próżniowej” max. 6%, bo
entalpia parowania:
H =U +pV : „pracuje” tylko
)
20 czynnik pV
Watt
Wydajnosc %
15
10
5
1700
1750
1800
Lata
J. Watt nie wynalazł maszyny parowej a „tylko” zewnętrzny kondenser.
Inspiracją były badania dlaczego zmniejszone maszyny Newcomena nie
działają=> straty ciepła=> związek ciepła z pracą…
1850
Trevuithick
Maszyny
wysokociśnie-niowe i
złożone
Maszyny
wysokociśnieniowe
i złożone
1800 –
Trevithick
Woolf
20
Wydajnosc %
15
10
5
1700
1750
1800
Lata
1850
Charles Parson, Turbinia 1897, samowolna demonstracja możliwości
turbiny parowej na oczach królowej brytyjskiej i całego dowództwa floty…
turbiny parowe sprawność ok.. 40%
Rozwój maszyny parowej a odkrycie uniwersalnej zasady zachowania energii …
20
Sprawnosc %
15
H. Helmholtz
W. Thomson (Kelvin)
10
R. Clausius
J. Mayer
5
J. Joule
E. Clapeyron
N. Carnot
A. Lavoisier
1700
1750
1800
Lata
T. Young
Biografie badaczy: zob. np. scienceworld.wolfram .com
1850
Odkrycie
zasady
zachowania
energii
... The steam engine needs the fuel which the vegetable life yields, whether it be the
still active life of the surrounding vegetation, or the extinct life which has produced
the immense coal deposits in the depths of the earth. The forces of man and animals
must be restored by nourishment; all nourishment comes ultimately from the vegetable
kingdom, and leads us back to the same source.You see then that when we inquire into
the origin of the moving forces which we take into our service, we are thrown back
upon the meteorological processes in the earth's atmosphere, on the life of plants in
general, and on the Sun.
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz: „On The Conservation Of Force”, 1863.
Co wynika z tej historii?
-technologia inspirowała naukę i sama wspomagała swój dalszy rozwój– stąd
eksponencjalny wzrost wydajności maszyn…
-Pozornie bezużyteczne badania dotyczące próżni doprowadziły do powstania
silników cieplnych (również takich bez próżni) a następnie do ogromnego
postępu wiedzy o świecie…
-Dalekosiężne skutki doświadczeń z próżnią i parą z pewnością przerosły
wszelkie wyobrażenia Otto van Guericke, Watt’a i ich współczesnych (nie
mówiąc już o magiku który udusił ptaka w próżni - patrz obraz Joseph’a Wright
of Derby ).
Dlaczego nanotechnologia…
2015
2050
7,5
10(?)
miliarda ludzi
miliardów ludzi
Zakładając optymistycznie, że świat dalej będzie się rozwijał, konsumpcja
energii (obecnie 15 TW) zwiększy się co najmniej dwukrotnie w
perspektywie 50 lat
W krajach rozwiniętych (USA, Europa) konsumpcja energii na głowę
przewyższa kilkudziesięciokrotnie zużycie na głowę mieszkańca Indii
Potrzeba będzie energii dla 10 miliardów ludzi w roku 2050 -prawdopodobnie
kilkadziesiąt terawatów…
Wyzwania dla nanotechnologii - konferencja w Rice University Maj 2003
1.
Ogniwa fotowoltaiczne: 100 x redukcja kosztów wytwarzania.
2.
Redukcja fotokatalityczna CO2 => metanol.
3.
Fotodysocjacja wody => H2.
4.
Ogniwa paliwowe: redukcja kosztów 10-100x, usprawnienie pracy w niskich
temperaturach.
5.
Baterie ogniw chemicznych: zwiększenie pojemności min. 10 x => transport
6.
Magazynowanie H2 :
7.
Transkontynentalne kable przesyłowe (nadprzewodniki, przewodniki kwantowe) =>
globalna sieć energetyczna
8.
Wydajne źródła światła
9.
Nanoelektronika => komputery, sensory
10.
Robotyka = np. dla serwisowania orbitalnych elektrowni słonecznych
11.
Superlekkie, superwytrzymałe materiały dla konstrukcji orbitalnych
odwracalna chemisorpcja
Wszystkie punkty dotyczą energii…
Przykładowe nanostruktury… cegiełki konstrukcyjne dla
nanotechnologii
Molekuły organiczne
0.84 nm
0.7.nm
phenantrene
benzopyren
140 pm
0.72nm
0.84 nm
chrysene
koronen
240 pm
280 pm
0.96 nm
0.7 nm
naphtacen
pyrene
1.2 nm
triphenylene
0.7 nm
pentacen
Duże czastki nieorganiczne
Np.: Cu146Se73(PPh3)30
Grupa
pasywacyjna
fosforan
trójfenylu
Fenske et al., 1991
Materiały warstwowe: np. Yttrium barium copper oxide, (YBCO) i inne
Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (nanoskalowe komórki
elementarne sieci krystalicznej)
YBa2Cu3O7
a = 3.82, b = 3.89, and c = 11.68 Å
Tp=93 K
Stosowane w magnesach nadprzewodzących do MRI, w urządzeniach
lewitujacych, w taśmach przewodzących prąd (głównie BSCCO Bi2Sr2Ca1Cu2O8,
Bi2Sr2Ca2Cu3O10)
W takich materiałach elektrony mogą być uwięzione w specyficznych
płaszczyznach => charakter 2D
Nanocząstki (koloidy) złota - otrzymywane poprzez reakcje w roztworach
50 nm
Kyoungweon Park, Georgia Institute of Technology
Nanorurki węglowe, fulereny i grafen (wiele różnych metod otrzymywania)
SWNT (Carbon Nanotubes: Preparation and
Properties ed. Ebbesen, CRC. 1997),
technika obrazowania SEM
MWNT (S. Iijima, Nature, 354, 56
(1991)) technika obrazowania STM
Struktury stojące (pionowe druty) z różnych materiałów (metody CVD, VLS)
Huijuan Zhou of the University of Karlsruhe
(nanolasery na bazie drutów stojących ZnO)
Architektury 3D nanodrutów (VLS), Kimberly Dick, Lund Univ.
Ultracienkie warstwy róznych materiałów – granice pomiędzy roznymi obszarami w
zasadzie atomowo gladkie – każdy atom jest na swoim miejscu (metoda MBE)
Simone Montanari PhD thesis (2005) – University of Cambridge
Układy warstwowe np. LED
elektronika wielkiej skali integracji
TEM wzdłuż „płetwy”
FINFET Intela 22 nm
Nanokropki (różne materiały)
Nanocząstki CdS . Oświetlony światłem białym roztwór koloidalny z nanoczastkami.
Wybarwienie zależy od rozmiarów nanokropek w roztworze…
Inne przykładowe nanostruktury
Obrazy uporządkowanych układów atomów
Fe na powierzchni miedzi (111)
IBM/Eigler
Skonstruowane atom-po-atomie za pomoca mikroskopu STM
nanostruktury - powierzchnie biomimetyczne (naśladuje liść lotosu)
FET
Obraz SEM układu
nanorurek węglowych
(a) pokrytych PTFE
(b). Otrzymana
powierzchnia ma
właściwości
superhydrofobowe (c).
K.K.S. Lau, Nano Lett.
3, 1701 (2003)