KCH/NANTM

1. KCH/NANTM Přednáška 6 Struktura a vlastnosti nanomateriálů, self-assembly, metody přípravy

2. Obsah • Struktura a vlastnosti nanomateriálů • Nanočástice • Nanokrystalické materiály • Nanočástice v polovodičích • Self-assembly • Metody přípravy nanomateriálů • Litografie

3. Struktura a vlastnosti nanomateriálů

4. Struktura a vlastnosti NM • Stavební jednotky NM: • Rozměr • Tvar • Atomová struktura • Krystalinita • Mezifázové rozhraní • Chemické složení

5. Struktura a vlastnosti NM • Rozměry • Molekuly – pevné částice < 100nm • Vlastnosti určeny charakteristickými znaky • Částice • Klastry • Dutiny • 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

6. Struktura a vlastnosti NM • Závislost vlastností • Vlastnosti nanočástic • Uspořádání nanočástic • Vznik vnitřních struktur • Vývoj technologií pro vytváření a úpravu struktury

7. Struktura a vlastnosti NM Přístupy: • Top – down • Fotolitografie v elektronice • Bottom – up • Dispergované a kondenzované systémy • Self-assembly

8. Struktura a vlastnosti NM • Nutná znalost atomární struktury • Vlastnosti se liší od běžných materiálů se stejným chemickým složením • Faktory: • Malá velikost krystalitů – 50% atomů v nekoherentní hranici mezi krystaly • Velikost a vliv dimenzionality • Velikost krystalické fáze zmenšena na několik interatomárních vzdáleností

9. Struktura a vlastnosti NM • Funkčnost NM • Složení • Velikost a tvar • Nanostrukturní rozhraní • Základní dělení NM • Nanokrystalické materiály • Nanočástice

10. Struktura a vlastnosti NM

11. Struktura a vlastnosti NM • Podíl povrchových atomů • Vliv na chemické a fyzikální vazby na hranicích zrn • Vazba nanočástic se základní hmotou kompozitů • Velikost nanočástic • Střední volná dráha elektronů • Šířka hradlové vrstvy v polovodičích

12. Struktura a vlastnosti NM Tvarové typy nanočástic • Koule (spheres) • Tyčinka/vlákna (rods) • Dráty (wires) • Více komplexní profily

13. Struktura a vlastnosti NM Vznik nanočástic • Nukleace • Vznik klastrů, homogenní nukleace • Koalescence • Kolonie dlouhých klastrů • Růst

14. Struktura a vlastnosti NM • Tvary nanostrukturních materiálů souvisí s vlastnostmi • Kritická velikost zrn • 10 – 20 nm • Více než 50 % atomů na povrchu • Hranice zrn – deformace NM

15. Struktura a vlastnosti NM Skupiny nanokrystalických materiálů • Podle dimenzionality • Bezrozměrné atomové shluky • Jednorozměrné modulované vrstvy • Dvourozměrné jemnozrné vrstvy • Trojrozměrné nanostruktury

16. Struktura a vlastnosti NM Nanokrystalické materiály • Krystaly, kvazikrystaly, amorfní fáze • Kovy, intermataliky, keramiky, kompozity

17. Struktura a vlastnosti NM Nanokrystalické materiály • Dělení dle Gleitera • 12 skupin • První – tvar krystalitů • Druhý – chemické složení

18. Struktura a vlastnosti NM Nanokompozitní vrstvy • Tloušťka < 100 nm (obecně 10 nm a méně) • Souvislost s množstvím atomů na povrchu krystalitů • Vysoce odlišné vlastnosti od polykrystalických vrstev

19. Struktura a vlastnosti NM Nanostrukturní vrstvy • Atomy hraničních oblastí rozhodují o uspořádání – růstu vrstev • Vlastnosti závisí na rozměrech nanofázových oblastí • Dislokace zde neexistují – tvorba přerušena hranicemi, posun podél hranic, žádné vady • Nanofázové kovy – pevnější • Nanokeramika – snadněji tvarovatelná

20. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích • Dělení podle dimenzionality • Kvantové vrstvy • 2D systém • Třetí rozměr 1 - 3 nm • Kvantové drátky • 1D systém • Kvantové tečky • Kvantové klastry • Zvláštní struktura

21. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích • Odlišné vlastnosti NČ • Elektrické • Magnetické • Optické • Tepelné • Mechanické • Kvantově-mechanický fenomén • Vodivostní kvantování • Coulobovské blokování • Kvantové jámy, dráty, tečky

22. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích • Elektronicko-optické přístroje a senzory • Tranzistory • Lasery s kvantovými tečkami – emisní tloušťka čáry • Zvýšení citlivosti senzorů • Top-down/Bottom-up

23. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – nanoklastry • Široké rozměrové spektrum • Malé klastry: 1 – 3 nm • Velké klastry: desítky nm • Často označovány jako „nanokrystaly“ • Velikost a tvar, podmínky přípravy • Růst na substrátech nebo volně

24. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – nanoklastry • 2D/3D • Rozdílné vlastnosti (od volných atomů a molekul) • Dekaedrální struktury • Ikosaedrální struktury • Kvantové jevy

25. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky • Polovodičové nanokrystaly • 2 – 10 nm (10 - 50 atomů v průměru) • Jasně ohraničená oblast • Nahromadění elektronů • Pravidelné uspořádání • Fasety • Různé prvky, sloučeniny • CdSe, CdS, ZnS

26. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky • Energie elektronu uvnitř KT je kvantována • „Umělý atom“ • Speciální součástky – práce s jednotlivými elektrony a fotony • Past na elektrony • Omezená kapacita

27. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky • Optická vlastnost zabarvování • Vázána na velikost • Velké – červené • Malé – modré • Souvislost s rozložením energetických hladin • Vše souvisí s velikostí • Ladění vlnové délky emitovaného světla

28. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové tečky • Laditelné lasery • Optické zesilovače • Detektory (InAs na GaAs)

29. Struktura a vlastnosti NM Nanočástice v polovodičích – kvantové drátky • Průměr několik nm • Délka i µm • Nízký počet mechanických defektů • Nízký bod tání • Velký povrch proti objemu • Využití: • Tranzistory, LED, senzory

30. Struktura a vlastnosti NM Exotické struktury

31. Struktura a vlastnosti NM Self-assembly • Samouspořádání struktur • Souvisí s: • Van der Waalsovými silami (přitažlivé) • Coulombickými silami (odpudivé) • Vodíkové můstky • Hydrofilní/hydrofobní interakce • Pokles volné energie

32. Struktura a vlastnosti NM Self-assembly • Biologické struktury • Polymery • Slitiny • Samouspořádání při vzniku • Samoopravné materiály

33. Metody přípravy NM - litografie

34. Metody přípravy NM • Individuální přístup k různým materiálům • Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat • Technonologie často spojována se vznikem polovodičových struktur • P/N přechod • Vytváření horizontálních struktur – litografie • Vytváření vertikálních struktur - epitaxe

35. Litografie • Hromadné chemicko-fyzikální zpracování • Hladký povrch • Substráty • Si • Sklo • GaAs • Horizontálně členěné struktury • Členění: • EUV/RTG litografie • Fotolitografie • Elektronová litografie • Iontová projekční litografie • Reaktivní iontové leptání

36. Litografie • Složité tvarování určité části povrchu • Postup: • Nanesení rezistu • Citlivost na určitý podnět • Ovlivní rozpustnost • Ozáření v místech beze změny • Přes masku/rastrování • Nanesení vrstvy leptadla • Pouze vertikální směr • Vyleptání původního povrchu/nanesení další vrstvy • Odstranění ozářeného rezistu

37. Litografie • Limitující faktor • Vlnová délka světla pro ozáření • Viditelné světlo – do 100 nm • UV/RTG/svazek vysokoenergetických elektronů • Uplatnění • ICT • Medicína (detekce poruch DNA) • Vojenský průmysl • Enviro technologie

38. Litografie EUV litografie • EUV – extreme ultraviolet • Struktury pod 100nm • Vlnová délka 193 nm • Hrozí ionizace substrátu a narušení krystalové mřížky • Pronikavé vysokoenergetické záření • Vysoké nároky na použité materiály pro masku

39. Litografie EUV litografie • I EUV bude nedostačující • Požadavky na nárůst výkonnosti CPU/APU

40. Litografie RTG litografie • Nová generace • < 40 nm • Limitující faktory • Materiál a vzor masky • Podobné fotolitografii

41. Litografie RTG litografie • Maska • Odolnost • Absorbéry • Au, diamant, Be, slitiny tantalu nebo wolframu

42. Litografie RTG litografie • Současné procesory • Intel - jádro Haswell: 22 nm technologie • AMD – jádra Trinity, Vishera, Richland: 32 nm technologie

43. Litografie Fotolitografie (chemické leptání) • Příprava polovodičových materiálů • Studium Hallova jevu • Optoelektronika, senzory • Základní metoda • Vzor je „obtiskován“ do křemíku • Mateřský vzor vypálen laserem

44. Litografie Fotolitografie • 2 procesy • Záření • Leptání přes masku • Odstraňovány pouze nepotřebné části

45. Litografie Fotolitografie • Obecný postup • Nanesení vrstvy SiO2 na vyleštěný Si • Nanesení fotocitlivé/rezistivní vrstvy na oxid křemičitý • Osvícení UV • Zpevnění ozářených míst • Horké plyny – odstranění neozářené citlivé vrstvy • Leptání do různých hloubek • Násobné opakování procesu

46. Litografie Fotolitografie • Následné vytvoření vodivých cest • Pokrytí tenkou vrstvou kovu • Následné fotolitografické odleptání nepotřebných částí • Skleněný izolant

47. Litografie Elektronová litografie • Vytváření a přesné polohování obrazců v elektronovém rezistu • Rozměry pod 100 nm • Příprava masek pro fotolitografii a další • Bodový zápis difrakční mikrostruktury skenujícím paprskem

48. Litografie Elektronová litografie • Návrh syntetických difrakčních struktur • Vysoká rozlišovací schopnost • Levnější duplikování (galvanoplastika + mechanické) • Vysoká cena zařízení

49. Litografie Elektronová litografie • Vytváření hologramů • Difrakční optická struktura na vhodném podkladu • Velmi jemné vrypy (10 vrypů na 1 mikron) • Ve 2D velmi přesný zobrazení 3D modelu • Velké množství informací na malé ploše • Master se tvoří elektronovou litografií nebo laserem

50. Litografie Elektronová litografie • Hologram mění vlastnosti dopadajícího světla • Skryté prvky - bezpečnostní účely • Nelze kopírovat