Nanostruktury krystaliczne

Transkrypt

[email protected]
http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/NT
1.
2.
3.
Nanotechnologia na codzień
Prawo Moora i jego konsekwencje
a) Więcej! Szybciej! Taniej!
b) Wyzwania i problemy
Nanotechnologie
a) CO?
a) Studnie, druty, kropki
b) JAK?
a) Top-down, czyli (nano)technologia
b) Bottom-up, czyli samoorganizacja
c) Bio-technologia
IBM
36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi
tworzy „korale kwantowe”. Elektrony na
powierzchni miedzi oddziałują z atomem
kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy
tworząc „kwantowy miraż”.
NanoTechnologia
10-9
0,000 000 001
Nauka
Inżynieria
Technologia
a
b
a,b,c < 100 nm
c
Nanotechnologia w kulturze
Motoryzacja (Hummer H2 sport utility truck)
Budownictwo
Samoczyszczący się beton
Ubrania (Nano-Tex)
Elektronika
Wyświetlacze OLED
Zdrowie (filtr krwinek)
Kosmetyki
Sport
www.sts.utexas.edu/projects/nanomodules/
Dlaczego XXI w?
nano
Parowóz dziejów
mikro
mili
Nanotechnologia
Intel Quad-Core Penryn series (2008)
AMD Phenom X4 QUAD-Core (2008)
800 000 000 tranzystorów
450 000 000 tranzystorów
technologia 45 nm
technologia 65 nm.
Zegar max 3,33 GHz
Zegar max 2,6 GHz
9 warstw
11 warstw
Moc ok. 65 W
Moc 95 W -140 W
Nanotechnologia
Rozmiary
Wirus Ebola 600 nm
Średnica ludzkiego włosa
100 000 nm
Średnica krwinki czerwonej
Dł. fali światła widzialnego
Najnowszy tranzystor Intela
90 35 20 15 nm
Średnica DNA, nanorurek 2nm
Rhinowirus 30 nm
Promień Bohra
0.01 nm
Ebola http://www.brettrussell.com/personal/ebola.html
Źródło: www.usna.edu/EE/ee452/LectureNotes/ 05-Processing_Technology
Dlaczego XXI w?
mili
Parowóz dziejów
Przez ostatnie 40 lat na badania technologii
krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 1012 USD
mikro
nano
TRENDY: Pierwsze Prawo Moore’a
Ilość komponentów (tranzystory, połączenia,
izolacje itd.) w IC podwaja się co około 18
miesięcy.
Rozmiar liniowy komponentów również
zmniejsza się wykładniczo w czasie.
Te trendy nie mogą być kontynuowane w
nieskończoność.
• Co zastąpi technologię Si?
• Z czego będzie wynikała ta zmiana
technologii?
EKONOMIA
Źródło: Intel
Granice miniaturyzacji?
Myślimy, że tranzystor
jest zbudowany tak.
25 nm MOSFET
Produkcja od 2008
4,2 nm MOSFET
Produkcja ???
Asen Asenov, Glasgow
David Williams Hitachi-Cambridge
IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)
PROBLEM: Chłodzenie
Gęstość mocy rośnie dramatycznie.
107 tranzystorów
pracujących z częstością
1.5 GHz zużywa 130 W.
Zakładając, że na tej
samej powierzchni za jakiś
czas będzie pracować 108
tranzystorów z częstością
10 GHz otrzymamy
gęstość mocy na poziomie
10 kW/cm2 (porównywalną
gęstość mocy ma silnik
rakietowy!)
Nanotechnologie
CO?
• Studnie, druty, kropki
JAK?
• Top-down, czyli (nano)technologia
• Bottom-up, czyli samoorganizacja
Struktury niskowymiarowe
Low-dimensional Semiconductor Systems
Studnie
kwantowe
Druty
kwantowe
Kropki
kwantowe
t
1D
“0D“
Dyskretna struktura elektronowa
Hubert J. Krenner
2D
MOCVD
Studnia kwantowa
Ec
t
D(E)
Ec
E1
E0
FUW Pasteura 7
MOCVD Osadzanie z atomową
precyzją warstw o różnym składzie
lub domieszkowaniu
E
2D
Studnie Kwantowe
Lasery półprzewodnikowe
Studnie Kwantowe
Więcej: http://britneyspears.ac/lasers.htm
Studnie
kwantowe
Druty
kwantowe
Kropki
kwantowe
t
1D
“0D“
Hubert J. Krenner
2D
Druty
Druty
Druty
Druty
Druty
Druty
http://gams.cam.nist.gov/hpcc/physics/nano.html
http://www.photonics.com/spectra/research/XQ/ASP/preaid.82/QX/read.htm
Druty
Druty
Druty
www.ece.odu.edu/g_seminar.htm
http://www.mpi-halle.mpg.de/~mbe/
Photo by Peidong Yang/UC Berkeley, courtesy of Science
Druty
Druty
Druty
Studnie
kwantowe
Druty
kwantowe
Kropki
kwantowe
t
1D
“0D“
Hubert J. Krenner
2D
Quantum
Dot

0  cgs
eHubert J. Krenner
Walter Schottky Institut and Physik Department E24, TU München
1  X0
Wzrost kropek kwantowych
Energy
EPITAXIAL
LAYER
(e.g. InAs)
 2  12  1
Island
formation
TEM
0.25µm x 0.25µm
• Defect-free semiconductor “clusters“
on a 2D quantum well wetting layer
Hubert J. Krenner
Time
SUBSTRATE
(GaAs)
GaN/AlGaN QD’s
Wzrost – K. Pakuła, AFM - Rafał Bożek
Nanotechnologie
CO?
JAK?
Nanotechnologie
CO?
JAK?
Top-down
Vincent Laforet/The New York Times
W jaki sposób produkowane są układy scalone?
1.
Dominuje technologia
krzemowa
2.
Obecne układy
~ 109 - 1010 tranzystorów
3.
Podłoża - 300mm,
~ 103 chipów
4.
Fotolitografia, naświetlanie,
trawienie etc
5.
Typowo ~20 masek, 150 - 200
kroków procesów
Nanotechnologia
Maszyna do technologii Step-and-Repeat Aligner (Stepper)
Nanotechnologia
UV light source
Shutter
Alignment laser
Shutter is closed during focus
and alignment and removed
during wafer exposure
Reticle (may contain one or
more die in the reticle field)
Projection lens (reduces the size of
reticle field for presentation to the
wafer surface)
Single field exposure, includes:
focus, align, expose, step, and
repeat process
Wafer stage controls
position of wafer in
X, Y, Z, q
Nanotechnologia
Unexposed resist remains
crosslinked and PAGs are
inactive.
Resist exposed to light
dissolves in the
developer chemical.
UV
Photoresist
Oxide
Substrate
Exposed
Unexposed
PAG
PAG
PAG
H+
PAG
H+
H+
PAG
Acid-catalyzed
reaction (during
PEB)
Pre-exposure
+ CA photoresist
PAG
PAG
PAG
PAG
Unchanged
Post-exposure
+ CA photoresist
Post-develop
+ CA photoresist
Nanotechnologia
1) STI etch
2) P-well implant
3) N-well implant
4) Poly gate etch
5) N+ S/D implant
6) P+ S/D implant
7) Oxide contact etch
8) Metal etch
5
6
4
Resulting
layers
3
2
7
8
Cross section
1
Top view
Nanotechnologia
1997
2006
Nanotechnologia
2006
http://www.microscopyu.com/
Litografia
Zdolność rozdzielcza (kryterium Rayleigha)
W – najmniejszy rozmiar dostępny w litografi, mikroskopii etc.
Nanotechnologia
Źródło: Intel
Nanotechnologia
Źródło: Intel
Nanotechnologia
Nanotechnologia
http://www.microscopy.fsu.edu/
Litografia Imersyjna
Nanotechnologia
Intel, 2003
Intel 2005
Litografia 90nm
Produkcja 2003
65nm
2005
45nm
2007
32nm
2009
Natężenie
Nanotechnologia
l
Położenie
Natężenie
Nanotechnologia
k1
l
Położenie
Nanotechnologia
OPC – Optical Proximity Corrections
Nanotechnologia
Nanotechnologia
Nanotechnologia
Nanotechnologia
Airy disks
http://www.smalltimes.com/articles/stm_print_screen.cfm?ARTICLE_ID=260007
http://www.almaden.ibm.com/st/chemistry/lithography/immersion/resist_development/
http://www.microelectronics.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2005/html/142296.html
Inne
Litografia 3D
Lasery ekscymerowe
Electron-microscope image of the world's smallest guitar, based roughly on the design for the Fender Stratocaster, a popular
electric guitar. Its length is 10 millionths of a meter-- approximately the size of a red blood cell and about 1/20th the width of a
single human hair. Its strings have a width of about 50 billionths of a meter (the size of approximately 100 atoms). Plucking the
tiny strings would produce a high-pitched sound at the inaudible frequency of approximately 10 megahertz. Made by Cornell
researchers with a single silicon crystal, this tiny guitar is a playful example of nanotechnology, in which scientists are building
machines and structures on the scale of billionths of a meter to perform useful technological functions and study processes at
the submicroscopic level.
(Image courtesy Dustin W. Carr and Harold G. Craighead, Cornell.)
Litografia 3D
Photonic Crystals:Periodic Surprises in Electromagnetism Steven G. Johnson MIT
2-photon probability ~ (light intensity)2
2 hn = ∆E
hn
e
E0
hn
N-photon probability ~ (light intensity)N
photon
photon
3d Lithography
Atom
lens
…dissolve unchanged stuff
(or vice versa)
some chemistry
(polymerization)
Litografia 3D
[ S. Kawata et al., Nature 412, 697 (2001) ]
l = 780nm
resolution = 150nm
7µm
(3 hours to make)
2µm
Badania na Hożej
Focus Ion Beam
Dr Marta Gryglas
Dr Agata Drabińska
JEM-9320 Focused Ion Beam System
http://www.norsam.com/
Nanotubes as molecular quantum wires
Nanotechnologie
CO?
JAK?
[email protected]
http://www.fuw.edu.pl/~szczytko/NT
1.
2.
3.
Prawo Moora i jego konsekwencje
a) Więcej! Szybciej! Taniej!
b) Wyzwania i problemy
Nanotechnologie
a) CO?
a) Studnie, druty, kropki
b) JAK?
a) Top-down, czyli (nano)technologia
b) Bottom-up, czyli samoorganizacja
c) Bio-technologia
IBM
36 atomów kobaltu na podłożu z miedzi
tworzy „korale kwantowe”. Elektrony na
powierzchni miedzi oddziałują z atomem
kobaltu umieszczonym w ognisku elipsy
tworząc „kwantowy miraż”.
Nanotechnologie
CO?
JAK?
Bottom-up
Wydział (nano)Chemii UW
http://www.chem.uw.edu.pl/labs/elektrochemia/Nanogaleria/nanogaleria.htm
Synteza kropek kwantowych
http://www.icmm.csic.es/cefe/Fab/synthesis.html
Wytwarzanie koloidalnego CdS metodą odwróconej micelli
Związki wyjściowe: wodne emulsje jonów w fazie organicznej
H2O
Stabilizator organiczny
Cd2+
heptan
+
zmieszanie
Cd2+
S2-
CdS
heptan
reakcja
S2-
wymiana
stabilizatora
heptan
CdS
CdS
CdS
CdS
usunięcie
rozpuszczalnika
CdS
heptan
Zdjęcie SEM zawiesiny koloidalnej CdS otrzymanej w wyniku reakcji
CdCl2 z tioacetamidem jako źródłem jonów S2-
Zdjęcia TEM nanostruktur z CdSe o rozmiarach 7 nm x 7 nm (A), 7 nm x 30 nm (B) i
7 nm x 60 nm (C) otrzymanych z (CH3)2Cd +TOPO + (TMS)2S .
W.U.Huynh, J. J. Dittmer, A. P. Alivisatos , Science, 295 (2002) 2425
P
P
O
O
CdS
P O
O
P
O P
TOPO
O
P
TOP
TOPO + [TOP+(TMS)2S] + [TOP+ (CH3)2Cd]
O P
Synteza kropek kwantowych
CdSe/ZnS 1-10 nm
http://www.nanopicoftheday.org/2003Pics/QDRainbow.htm
Energia – ogniwa sloneczne
http://www.daystartech.com/lightfoil.cfm
Cu(In,Ga)Se2 (also called CIGS) compound semiconductor
solar electricity conversion efficiency of 12.8%
http://www.tfp.ethz.ch/HESC/HESC.html
Zdjęcie STM polimeru przewodzącego (poli(3,4dialkoksytiofenu) otrzymanego elektrochemicznie
Zdjecie SEM poli(3-heksyltiofenu)
otrzymanego chemicznie
Nanorurki, nanowąsy i kropki
TiO2 nanotube materials
ZnO
nanocząstka Au
Nanorurka Si
DNA
www.ee.leeds.ac.uk/nanomsc/modules1.php
Kropki kwantowe + bio
A PbSe Quantum Dot as
seen through a transmission
electon microscope (TEM).
http://www.evidenttech.com/
Science, Vol 300, Issue 5616, 80-81 , 4 April 2003
Science, Vol 300, Issue 5616, 80-81 , 4 April 2003
Magnetyczne QD’s
Jacek Szczytko
Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko, Hubert Lange
Synteza nanomateriałów
Michał Bystrzejewski, Andrzej Huczko,
Hubert Lange
Wydział Chemii UW,
Pracownia Fizykochemii
Nanomateriałów
Magnetyczne QD’s
Iron
Jacek Szczytko
Iron
Magnetyczne QD’s
nano-Co
nano-Co
nano-Co
Jacek Szczytko
Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków
Ewa Górecka, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska, Adam Krówczyński
Ferrofluid
Ferrofluid
Akademia Górniczo Hutnicza
Magnetyczne QD’s
http://www.biophan.com/index.php?option=com_content&task=view&id=262&Itemid=426
Magnetic photonic crystals
Fe3O4
120 nm
Biologiczne kryształy fotoniczne
http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/online/2002_butterfly/
Magnetic photonic crystals
Nanorurki
Nanorurki można sobie wyobrazić jako warstwy atomów węgla (takie jak w
graficie), które zostały zrolowane.
Rozróżniamy orientacje:
• Armchair
• Zig-zag
• Chiral
Orientacja jest zdefiniowana
przez wektor chiralny (n,m)
ch= n a + m b
J.Basak, D.Mitra, S.Sinha „Carbon nanotube: the next generation sensors” presentation
Paweł Tomasz Pęczkowski
Winda
do nieba
Winda do nieba
http://www.spaceelevator.com/
Winda do nieba
http://www.uc.edu/news/NR.asp?id=5700
Benzen + CN
Nanomaszyny
Za wolno
Gear Rotation in a Vacuum 200 rot/ns
W sam raz
Powered Sharf
http://www.ipt.arc.nasa.gov
First Synthetic Nanomotor
Top view
Side
schematic
300 nm
MWNT
shaft
Au rotor
300 nm
Schematic (top) and scanning electron microscopy (SEM)
image (bottom) of LBNL’s synthetic nanomotor. A 300 nm Au
plate rotor (R) is attached to a multi-walled carbon nanotube
(MWNT) which acts as a support shaft and is the source of
rotational freedom. Electrical contact to the rotor plate is made
via the MWNT and its anchor pads (A1, A2). Three stator
electrodes, two on the SiO2 surface (S1, S2) and one buried
beneath the surface (S3), provide the control elements.
SEM images showing the rotation of the rotor actuated
by applying appropriate voltage sequences to the
stators. The MWNT, barely visible, runs vertically
through the middle of each frame. The schematic
diagrams located beneath each SEM image illustrate a
cross-sectional view of the position of the
nanotube/rotor-plate assembly. The rotor can rotate
through a full 360 degrees for thousands of cycles
without apparent degradation or wear.
http://www.lbl.gov/msd/PIs/Zettl/03/07_nanomotor/03_7_nanomotor.html Alex Zettl, 03-7
Nano-motor
Model for the Kinesin Mechanism
ATP
ADP
+ H2O
+ Pi
adenozynotrifosforan
mov-muscmyosinmotrev6.mov
mov-procmotconvkinrev5.mov
Kinesin is a dimeric motor protein that travels
processively towards the microtubule plus end by taking
8 nm steps, which corresponds to the distance between
adjacent alpha/beta tubulin binding sites. We have
sought to define the structural changes in the motor that
explain the direction of movement and the basis of
head-head coordination during processive motility.
http://valelab.ucsf.edu/research/res_mec_overv.html
http://www.sns.gov/workshops/nni_05/presentations/050617_pincus_philip_nni05.pdf
Bio-nano-silnik (ATPaza)
http://www.linkclub.or.jp/~hiikoysd/ryohei/papers.html
http://www.foresight.org/Conferences/MNT6/Papers/Montemagno/index.html
Nanoroboty
Nano Tech Web
makrofagi
Nanoroboty
Nano-samochód
Y. Shira/Rice University
They found the nanocar was quite stable on the surface
remaining parked until the surface was heated above 170
°C - presumably because of strong adhesion between the
fullerene wheels and the underlying gold. Flat gold surface
was used to prevent the nanocar actually roll around on its
fullerene wheels, rather than slip like a car on ice.
Between 170 °C and 225 °C, the researchers observed
that the nanocar moved around by translational motion
and pivoting. The translational motion was always in a
direction perpendicular to the handcar’s axle, indicating
that it moves by rolling rather than sliding.
http://www.nanonewsnet.com/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=4&pid=2
Nano i bio (gekon)
Nano i bio (gekon)
50x
http://www.microscopy.fsu.edu/primer/java/electronmicroscopy/magnify1/index.html
Nano i bio (gekon)
6000x
Nano i bio (gekon)
6000x
Paweł Tomasz Pęczkowski
Nano i bio (gekon)
Nature 448, 338-341 (19 July 2007)
Nano i bio (gekon)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio (DNA)
Nano i bio
M13 bacteriophage
Nano i bio
M13 bacteriophage
Nano i bio
Nano i bio
Nano i bio
ZnS
CoPt
Nano i bio
Nano i bio
Zamiast podsumowania: co dalej?
nano
Parowóz dziejów
Przez ostatnie 40 lat na badania technologii
krzemowej wydano bilion (ang. trillion) 1012 USD
mikro
mili
Granice miniaturyzacji?
Myślimy, że tranzystor
jest zbudowany tak.
25 nm MOSFET
Produkcja od 2008
4,2 nm MOSFET
Produkcja ???
IEEE Trans Electron Dev 50(9), 1837 (2003)
State-of-the-Art: Electronic Circuits
Kees Hummelen - University of Groningen
From macroscopic
copper ( 1 μm)
to
nanoscale electronics
organic molecules (0.3- 3 nm)
wire:
Y
X
CH2
diode:
CH2
Source
Y
X
transistor:
(FET)
Gate
C2H5
CH2
C2H5
C2H5
barrier: - CH2 -
6
4-terminal complex logic elements
3- and 4-terminal junction
- CH2 CH2 -
Drain
Jaszowiec 0606’05
Ile bitów na atom?
Illustration showing how to transform an electron
from its usual state in an atom (a), in which it exists
in a cloud of possible positions surrounding the
positively charged nucleus (indicated by a plus sign),
to a "Trojan state" (f), in which the electron orbits the
nucleus like a planet around the sun. The name
comes from Trojan asteroids, the asteroids which
orbit the sun in the same orbit as Jupiter but in a
place either ahead or behind the planet. To create a
Trojan electron, researchers would first use laser light
to put the electron into a "circular Rydberg state" in
which the electron exists in a thin donut of possible
positions (b). Then, a microwave beam would
subsequently change the shape of the donut (c-e),
shrinking the range of possible positions for the
electron and ultimately causing the electron to shrink
into a small droplet (or alternatively, a shortened
sausage) of possible positions. This droplet then
orbits the nucleus like a planet around the sun.
Although not yet achieved experimentally,
researchers believe that current technology could be
applied to create Trojan electrons. The figure is not to
scale--the circular Rydberg and Trojan states are
actually hundreds of thousands of times farther away
from the nucleus. In addition, the figure essentially
shows just the top half of the probability cloud for the
Trojan electron.
In recent computer simulations, researchers formed the word "optics" by calculating the electron cloud for a
specially prepared n=50 state. In the image above, the intensity of the letters represents the relative probability for
finding the electron at that place, and the color denotes the phase (relative point in the cycle) of the electron wave
associated with that point in the cloud. (Image courtesy Carlos Stroud, University of Rochester, and Michael Noel.)
This research is described by Carlos Stroud and Michael Noel in the April 1999 issue of Optics and
Photonics News.
Nanotechnologie
„Brak inwestycji w naukę to inwestycja w ignorancję”
Festiwal Nauki 2002
CENT
Center for (Applied) Science and Technology
CENT
Center for (Applied) Science and Technology
Campus Ochota, Warsaw
Nano i bio
Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko
Department of Biology, University of Warsaw
Department of General Microbiology, Institute of Microbiology
Ewa Górecka , Adam Krówczyński, Jadwiga Szydłowska
studenci: Paweł Majewski
Department of Chemistry, University of Warsaw
Structural Research Laboratory
Jacek Szczytko, Jacek Gosk, Andrzej Twardowski
studenci: Paweł Budzowski, Barbara Witek, Henryk Turski, Michał Feigel
Department of Physics, University of Warsaw
Division of Solid State Physics, Institute of Experimental Physics,
TEM: Jolanta Borysiuk ITME
Podziękowania
Wydział Fizyki UW
http://www.fuw.edu.pl
Zakład Fizyki Ciała Stałęgo
http://www.fuw.edu.pl/~zfcs
Jola Borysiuk, Agnieszka Grabias
Institute of Electronics Materials Technology
Andrzej Twardowski, Krzysztof Pakuła, Jacek Baranowski, Maria Kamińska,
Andrzej Witowski
studenci: Kinga Masztalerz, Piotr Juszyński, Tomasz Zakrzewski, Paweł
Osewski, Paweł Budzowski, Krzysztof Ptaszyński
Division of Solid State, Institute of Experimental Physics, Faculty of Physics,
University of Warsaw
Andrzej Majhofer
Institute of Theoretical Physics, Faculty of Physics, University of Warsaw
Anna Stonert, Renata Ratajczak
The Andrzej Soltan Institute for Nuclear Studies (IPJ)
Podziękowania
Wydział Chemii
http://www.chem.uw.edu.pl
prof. dr hab. Grzegorz Chałasiński
Pracownia Fizykochemii Nanomateriałów
Pracownia Elektrochemii
Krystyna Jackowska, Magdalena Skompska
Pracownia Fizykochemii Dielektryków i Magnetyków
Ewa Górecka, Adam Krówczyński, Paweł Majewski, Jadwiga Szydłowska
Elżbieta Jagusztyn-Krynicka, Dariusz Bartosik
Hanna Boszczyk-Maleszak, Jerzy Kacieszczenko
Wydział Biologii,
Instytut Mikrobiologii
Jaki
nowy?
Ten ich
to ten
grat!
Internat?
Inter
net?!!
INTERNET
!!!
(Makro)Kierunek:
Inżynieria nanostruktur!
a
b
a,b,c < 100 nm
c
http://nano.fuw.edu.pl

Nanostruktury krystaliczne

Transkrypt

Podobne dokumenty