Anyagtudomány I.é villamosmérnök

1. Anyagtudomány I.é villamosmérnök Gyulai József MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet és BME Kísérleti Fizika Tanszék

2. Az anyagtudomány elhelyezése, szerepe a XX-XXI. század fordulóján • Energiastratégia: a fejlődő országok fajlagos (egy főre jutó) energia-igénye 2050-re – OECDmai szint • Mottó:"SPACESHIP EARTH" (B. Fuller, 1969) • Qtöbblet = 0,0005QNap Δ<T> = 1oC • Termelési-fogyasztási folyamatok – zárt ciklusokba • Kritikus tudományok: ·energetika ·anyagtudomány és ·számítástudomány, -technika (logisztika) ·infrastruktúra: víz, közlekedés, meteo, stb.

3. Anyagtudományés technológia • Anyagtudomány: • a fizikai, kémiai törvényekanyagalakításra alkalmazása, "szerszámok"(akár atomi szinten) • Technológia: • szabályrendszer, amely reprodukálhatóan rögzíti a "szerszámok" működési tartományát • A technológiák jellege • építkező – (Bottom-up) • lebontó – (Top-down)

4. Antik bottom up technológia - üvegmozaikEgyiptom, Kr.u.1.sz., magas o.p.-jű üvegszálakból félalak, alacsonyabb o.p.-jű üveggel kiöntve, szeletelve

5. Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. I • Szerkezeti anyagok: alapvetően a mechanikai, a szilárdságtani tulajdonságok, pl. szakító szilárdság, ill. kopás-, és/vagy korrózióállóság, de lehet fontos a biokompatibilitás, hőállóság, sugárzásállóság, stb. • Legtöbbször az anyag tömbi tulajdonságai dominálnak a kiválasztáskor

6. Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. II • Funkcionális: Bármilyen külső hatásra (elektromos, optikai, mágneses, gravitációs, stb.) adott - végül elektromos - válasz • A „funkció” lehet: • fizikai, kémiai, biológiai elvű tulajdonság ("smart"), • technológiai műveletek sorával kialakított • számítás-, híradástechnikai, optikai stb. alkalmazás, mágneses, mechanikai, gravitációs stb. érzékelés. • Az "érzékelés" (jeladás) és/vagy a "beavatkozás" képessége

7. Trendek 2001

8. Nagyítás

9. Frontvonalak • Közlekedés, energiafaló • Hibrid motorok, elektromos autó anyagai • Akkumulátorok, tüzelőanyagcellák + fényelem • A napelemes repülőszerkezet: 23000 m felett • Építőipar - a városi lét energia-krízise • energiatakarékos építkezés mint minimum, • "smart housing" mint cél • a világítás forradalma – félvezetők, kisülések • A MEMS-től, ill. azzal a • Nanotechnológiá-ig – több ág • elektronikai, – kémiai, – bio- és biomimetikus, – orvosi rendszerek

10. Közlekedési eszközök anyagai • Hibrid motorok - kínálkozik • az 1 literes autó létezik, 2-3 literes széria • elektromos autó - automatizálási kérdés • a "konnektorból töltendő" nem az igazi • napelemmel készített üzemanyag az igazi • Akkumulátorok - kicsi a tartalék, metastabil állapot • Tüzelőanyagcellák - hidrogén tárolás megoldandó • ma, kőolaj bontással, még "10 literes" a kocsi • mai olcsó (másfél év után nettó energiatermelő) napelemmel (Dunasolar) vízet bontva, nálunk, 30-50 m2/gépkocsi naptelep (1,5 -2 MWh/év)

11. Építőipar • Energiatakarékos építkezés • előllítás: Al-acél-cement-beton-homok-hamu-talaj • hőszigetelés, 75% megtakarítás a "mészkő-(vulkanikus)hamu" • keverékkel • "smart housing" mint cél - olcsó CIS (réz-indium-diszelenid) naptelepek, tetőcserépbe integrálva

12. Egyéb területeken – pl. sporteszközök • Csúcsteljesítmény szinte valamennyi • Főleg a műanyagipar tekintetében: teniszütő, hajók, síléc, textiliák, stb. • Fémek: golf-ütők, kard-tőr, korcsolya, • Komplex: versenyautók

13. Mikroelektronika, IC, Kilby (Nobel Díj), Lézer, Alferov (Nobel Díj), a felvétel MFA

14. Miniatürizálás • Nem csak kis méret, hordozhatóság, kis fogyasztás miatt fontos. • A megbízhatóság is fontos elem: minél több intelligenciát kell belezsúfolni a tokba, • A hibák főleg az emberrel való kommunikáláskor lépnek fel. • Elérhető 1010 lépésre egyetlen tévesztés, ami ún. redundáns szervezéssel • "Soft" hiba

15. Az öregedés • Nemkívánatos atomi mozgásokkal függ össze. • Főleg helyi melegedések okozzák. Jól tervezett áramkörnél ennek az esélye minimális. • A mikroelektronika anyagai olyan tökéletesek, hogy pl. egy vékony, szigetelő oxidrétegben elhelyezett kis szilícium-szigetre helyezett, akár egy-két elektron évtizedig ott marad!

16. A kapuelektródra adott feszültség nyitja/zárja a f-ból a ny-be az áramot – attól függően, hogy milyen a Si vezetési típusa, ill. hogy az ún. többségi vagy kisebbségi "töltéshordozók"viszik az áramot.Azok töltésével azonos feszültség zár le. MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) tranzisztor Kapu elektród "Vékony" SiO2 Csatorna Nyelő Forrás Si

17. Példák a csúcsteljesítményre. • A gazdaságosság kritériuma: a szelet-átbocsátó-képesség: 1 szelet/perc – függetlenül a szeletátmérőtől. •  A Si:Φ=300 mm, diszlokációmentes egykristályokon készítik. • A SiO2 : a következő kritériummal jellemzett: doxid = (3  0,2) nm – a Si rácsállandója kb. 0,5 nm. • Egyatomos lépcsők, A lépcsők éleinél lévő Si atomok kötései nem tudnak Si-O-Si láncokká szerveződni, elektron-csapdák. • A tűrhetőség határa 1013 m-2, azaz legfeljebb minden ezredik atomnál lehet ilyen. •  A méretcsökkenés az optika "csodája".

18. Kvantum-tranzisztor, 2D elektrongáz, ultranagy frekvencia

19. MEMS "mikrorezsó" - pellisztor (gázérzékelő), MFASi3N4 lemez lebeg, 2x2 áramvezeték, fűtőtest, hőmérőErre épül a gázt elégető katalizátor, SW-rel specifikus

20. Érzékelő rendszer, gázáramlásra is

21. MEMS Gyorsulásérzékelő (IBM)

22. MEMS Giroszkóp (Sandia)A fésű-elektródok mozdulnak el, érzékelés kapacitív

23. Mikro-Nano: Optikai tiltott sáv anyagok: IR-re Sandia, láthatóra lepkeszárny

24. Fotonikus tiltott sávú "kristály" • Lepke

25. Nanotechnológiák • Informatika, hírközlés, optoelektronika • Minden fizikai mennyiség, aminek két stabil állapota van, pl. spin • Egyelektron tranzisztor, • Kvantumpötty, 0D, • "mesterséges atom"

26. Nanotechnológiák - informatikai területen • Single Electron Transistor, SET • Kvantumpötty, 1D, - - • mesterséges atom - - • Kvantumgödör 2D • nagyfrekvenciás eszközök • Egyéb elvek (szupravezető elektronpárok polarizációja, spinelektronika, stb.), amelyek két stabil állapottal rendelkeznek (egyelőre mind 0K körül működik) • Optikai rendszerek – fotonikus kristályok

27. Nano-info: Kvantum sejtautomata, mester-séges, kölcsönható He-atomok (2-2 elektron)

28. Nanotechnológiák, II. • Nagyfrekvenciás eszközök (Kroemer) • Lézerek (Alferov) • Fizikai határok... • A fizika, kémia átalakítja a biotudományokat – kvantitatív, első elvekre alapozódás tanui vagyunk

29. Szén nanocső, ionbesugárzással grafitból,MFA

30. A nanotechnológia nem-informatikai ágai • A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika • Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio-rendszerek • Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok • Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódolás-kiválogatódás ottani elveit megkeresni • Álmom a "szemétdomb", ahol a hulladékok a Nap hatására visszaalakulnak nyersanyaggá…

31. Hazai példa: az Y-alakú egyfalú szén nanocső

32. Hazai példa: aspirális egyfalú szén nanocső

33. Nano-info: pórusos Si kvantumos fényemitter, MFA, HF-ben elektrokémiai marással

34. Nano-kémia: önszerveződő rendszerek, reakciók térbeli rendezése, Sandia, Sn/Au

35. Nano-bio: E.Coli baktérium forgó zászlója100000/perc, proton-ugrás, nanomotor

36. Az integrált áramkörök technológiái • Mintegy tízféle művelet, pár-száz lépéses sora • "Front end" és "Back end" • Rétegépítő, • –eltávolító, • ábraalakító műveletek

37. Év 2001 2004 2005 2008 2011 Min. vonal-méret 1,8 m 1,1 m 100 nm 70 nm 50 nm Memóriák Bit/chip Költség/Bit (mc) 1G 0,003 4G 0,001 16G ,0005 64G ,0002 Gordon Moore "törvénye" (1974)

38. Rétegépítő műveletek • Oxidáció, • kezdeti, lineáris szakasz – reakció-limitált • a későbbi parabolikus szakasz – transzport-limitált • ionimplantáció, • diffúzió, • rétegleválasztások • fizikai, • kémiai

39. Rétegleválasztások • Fizikai • Vákuumpárologtatás • kémiai • Chemical Vapor Deposition (CVD) • atmoszferikus • kisnyomású • plazmával segített

40. Diffúzió • Fick • többféle mechanizmus • nem-Fick • Koncentráció függő • Defektfüggő

41. Oxidáció • kezdeti, lineáris szakasz – reakció-limitált • a későbbi parabolikus szakasz – transzport-limitált • az oxid/kristály határon nő, az odadiffundáló oxigén révén

42. Ionimplantáció • Gyorsított ionok "belövése" • Anyag-kontroll • tömegszeparálás • mélység kontroll • profil kialakítás • dózis kontroll • áramintegrálás – pl. kondenzátort tölt • Homogenitás kontroll • pásztázás

43. Ionimplantáció, becsapódó ion pályájának vége, MFA

44. Rétegeltávolító műveletek, marásI. • Nedves marás • a folysav, HF, specifikus marószere a SiO2-nek • A Si nedves marása is ezen az elven működik: a HF-hez egy, a Si-t oxidáló ágenst, pl. HNO3-at adunk. A keletkező oxidot a HF eltávolítja. • Van speciális marószere a többi dielektrikumnak (szilíciumnitrid – foszforsav), fémeknek (lúgos marások), stb. • Gáz-, ill. plazmamarás • pl. KFZ...

45. Rétegeltávolító műveletek, marásII. • Különleges marások • Orientációfüggő marás. Pl. KOH százszor gyorsabban mar egyes irányokat. • Adalékolás-függő marások. Pl. p-p+ határon leáll, kellhet megvilágítás is

46. Ábraalakító műveletek, I. • Fotolitográfia • Mint a rézkarc-technika: • "reziszt", ábraalakítás • maszk-technika • direkt rajzolás

47. Ábraalakító műveletek, II. • Elektronlitográfia • Fókuszálható, • direkt rajzolás • Maszkgyártásra is jó

48. Ábraalakító műveletek, III. • Röntgenlitográfia • Kis ábrák, de a maszkolás nehéz • Ionos litográfia • 1:10 kicsinyítés lehet • rezisztek nagyon érzékenyek a protonokra

50. Rétegeltávolító műveletek, marások