aplikovane´ nanotechnologie -...
TRANSCRIPT
Katedra experimentalnı fyzikyUniverzita Palackeho v Olomouci
Nanotechnologie
Prezentace k prednasce
Aplikovanenanotechnologie
Metody tvorby nanostrukturNanometrologie
NanomanipulaceAplikace zakladnıch nanosystemuNanoelektronika
Aplikovane nanotechnologie
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody tvorby nanostruktur
fyzikalnı techniky: vetsinou top-down metodychemicke techniky: vetsinou bottom-up metodykombinovane techniky: vyuzıvajı jak chemicke, tak fyzikalnıpusobenımetody bud’ obecne, nebo specificke pro dany vzorek (slozenı,orientace)
Delenı podle ubytku/prırustkusubtraktivnı technikyaditivnı techniky
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 2
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Poznamky k tvorbe nanostruktur
tvorba uzitecnych nanostruktur vyzaduje spojenı s mikrookolımpropracovanejsı u top-down technik
u nanoobjektu je treba zohlednovat charakter chemickych vazebnapr. vzajemna orientace nemuze byt libovolnaexistuje hierarchie sıly vazeb
napr. vliv vdW interakce roste s rozmerem molekuly, kovalentnı vazbyjsou uz vyuzity
rozmery struktur jsou casto zaroven nejmensımi jednotkami, ktere lzenezavisle ovladatpotrebne je omezenı a rızenı stupnu volnosti samovolneho pohybustavebnıch bloku k dosazenı zadaneho usporadanı
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 3
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Princip litografie
1 nanesenı vrstvy rezistu, vytvrzenı2 ozarenı pres masku3 vyvolanı obrazu4 zahratı – odstranenı rozpoustedla5 zpracovanı povrchu
planarnı technologievyuzıvana hromadne, vyroba IO
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 4
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Rezisty
pozitivnı rezistozarena cast se snaze rozpoustıpolymer s velkou molarnı hmotnostısvetlo zpusobı rozpad retezcuprıklad: PMMA
M =M0
1 + gεM0ρA
negativnı rezistozarena cast ma mensı rozpustnost
citlivost rezistu – davka nutna ke zmenekontrast rezistu – rozdıl rozpustnosti, γ = 1
log D0−log D1
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 5
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Subtraktivnı metoda
mokre leptanıponorenı do rozpoustedla, ktere nelepta rezistvelice jednoduche, ekonomicke, rychle, mnoho materialuizotropnı leptanı – podleptanı struktur, nepresne lateralnı rozmeryanizotropnı leptanı – pro nektere monokrystaly, napr. KOH a {111}
suche leptanıleptanı pomocı bombardovanı povrchuvytezek S = 3
4Ed
Nπ2CU , C = 1,81 nm2
IBE (ciste fyzikalnı), RIE (kombinovane s chemickou cestou)
pozn.: obetovane vrstvy
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 6
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Aditivnı metoda
lift-offna vytvarovany rezist se nanese vrstva materialumusı byt nespojitarozpustı se rezist, oplachnutıjednoducha a efektivnı metodavyzaduje strme prechody a smerovou metodu depozice (i vhodnateplota)tloust’ka vrstvy mensı nez tloust’ka rezistu
elektrolyticky rustvespod je vodiva vrstva, rezist vymezı prıstupove oknopr. Ni: z roztoku NiCl2 se na katode redukuje Nitloust’ka rızena casem, Faradayuv zakon m = ItM
Fz , F = 96 500 Cjednoducha metoda, vrstvy vysoke kvalityv prıpade nanostruktur problemy s regeneracı elektrolytu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 7
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Depozice z plynne faze (CVD)
metoda vytvarenı tenkych vrstevplynna sloucenina se vhanı do reakcnı komory, kde se rozklada napovrchu podlozkycela rada technik – LPCVD, MOCVD, PACVDtypicke materialy: SiH4 pro poly-Si, SiH4 a O2 pro SiO2, WF6 pro Wpro mnoho kovu (Cu, Al) se nevyuzıvavlastnosti vrstev: jemna zrna, vysoka cistota, nepropustne
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 8
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Epitaxe pomocı molekularnıch svazku (MBE)
evaporace materialu (sublimace) ve vakuu 10−8 Pa (λ > d)jednotlive cely (Knudsen, Langmuir) majı uzaverkykontrola pomocı RHEEDatomy epitaxne rostou na podlozcerychlost µm/h, monovrstva 1–5 svysoka kvalita vrstev, lze rıdit slozenıpodlozka muze byt zahrata, chlazenarotace pro lepsı homogenituATG nestabilita vrstev – vznik ostruvku
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 9
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Kontaktnı litografie
charakterizace podle pouzite interakceparalelnı a sekvencnıparametry:
1 rozlisenı2 rychlost zapisu
blızka a kontaktnı litografie: 2bmin = 3√λ(s + e
2
)rozlisenı horsı vlivem rezistunejvyssı pro s = 0, ale problem s rovinnostı a zarovnanımproblemy jsou mensı pro male svyssı rozlisenı – mensı λ, nejsou problemy s optickymi prvky
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 10
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Projekcnı litografie
velka vzdalenost s obchazı mechanicke problemypouzıva se opticky system projektujıcı masku na vzoreknelze zpracovat najednou cely povrch
scanning – posunuje se soucasne vzorek i maska v jednom smeru,promıta se 1:1, vyuzıva se nejlepsı oblasti opt. soustavy, maska bezredukce (draha)step-and-repeat – promıta se zmenseny elementarnı vzorek, vzorek sehybe ve dvou smerechstep-and-scan – kombinace obou
rozlisenı Lmin = kλNA , k teoreticky 0,61, NA az 0,9
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 11
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Projekcnı litografie
velka vzdalenost s obchazı mechanicke problemypouzıva se opticky system projektujıcı masku na vzoreknelze zpracovat najednou cely povrch
scanning – posunuje se soucasne vzorek i maska v jednom smeru,promıta se 1:1, vyuzıva se nejlepsı oblasti opt. soustavy, maska bezredukce (draha)step-and-repeat – promıta se zmenseny elementarnı vzorek, vzorek sehybe ve dvou smerechstep-and-scan – kombinace obou
rozlisenı Lmin = kλNA , k teoreticky 0,61, NA az 0,9
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 11
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Snızenı dolnı meze
ozarenı pod uhlem – posunutı difrakcnıch pıku pri ozarenı podvelkym uhlemdeformace masky – vzor na masce zohlednuje deformaci pri projekcimaska s posuvem faze – maska nemoduluje jen amplitudu, ale i fazitak, aby sousednı oblasti mely fazovy posuvpovrchove techniky – menı se pouze povrch rezisturtg litografie – snızenı λ, ale problemy s projekcı (optikou – je moznajen blızka litografie), nenı transparentnı materialextremnı UV – λ ∼ 13 nm, reflektivnı optika, soustavy z multivrstev
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 12
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Litografie elektronovym svazkem (EBL)
rezist se ozaruje elektronovym svazkemrızeno pocıtacem, neexistuje maska, bez difrakcnıch omezenısekvencnı proces, repeat-and-scan rezimv podstate SEM, rezist napr. PMMAcasta aplikace:
masky pro optickou litografiitloust’ky car cca. 10 nm,lepsı rozlisenı pro izolovane objekty,vliv SE (zlepsenı – vyssı napetı,tencı rezist)primarnı elektrony se mohouodrazit od podlozky –deformace do vetsı vzdalenostimoznost interference
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 13
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Litografie zaostrenym iontovym svazkem (FIB)
ionty majı mnohem vetsı energii nez elektrony, take mensı rozptylv rezistuLMI zdroj – kapalny zdroj kovovych iontu, nevyhoda: disperzeenergieruzne aplikace: litografie, depozice, tvorba defektuiont Ga+: nızka teplota tanı, vhodna hmotnost, snadno odlisitelneelektrostaticke cockyopryskavanı povrchugas assisted etching (GAE)
vpoustı se halogenovy plynzvysı tvorbu volatilnıch produktu→ doda chemickou citlivost
lze odleptat oxidy bez poskozenı vodicu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 14
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Konstrukce FIB
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 15
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Srovnanı iontu a elektronu (FIB vs. SEM)
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 16
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Litografie zaostrenym iontovym svazkem (FIB)
urychlenı 5–50 keV, desıtky nA, stopa jednotky nmvznik poskozene vrstvy, lze odstranit nızkoenergetickym Ar svazkem
Aplikace:ztencovanı vzorku pro TEMlokalnı depozice kov obsahujıcıch plynu (W(CO)6), ochranneobetovane vrstvyimplantace, IO – prerusenı nebo vytvorenı vodive cesty
Mikroskopielepsı citlivost k detailum typu krystalove orientace a zrnv kombinace se SEM lze zıskat 3D data
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 17
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Aplikace FIB
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 18
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Zakladnı principyOpticka litografieZpracovanı svazkem
Litografie neutralnımi atomy
svazek neutralnıch atomunetreba velke kineticke energie
chybı totiz el. interakce
stojata svetelna vlna (laser)idukovany dipol. moment atomu je
pritahovan do maximapritahovan do minima
v zavislosti na znamenku ωlaser − ωatom
modulace hustoty atomu na povrchulze vyuzıvat i jine atomove optiky
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 19
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Terasy na monokrystalech
v krystalech existujı roviny s hustym obsazenımpro FCC mrızku (Au, Pt, Cu) je nejhustsı (111)rovina s uhlem θ blızkym nejhustejsı rovine:
rozdıl v orientaci do 15◦
plocha tvorena atomy ma charakter schodu (teras)vyska schodu – vzdalenost dvou krystalografickych rovinhustota a sırka schodu zavisı na θ a orientaci
n =1L
=tg θ
h
lze vyuzıt jako podklad pro prıpravu nanostrukturzıhanım lze strukturu pozmenit, cik-cak struktury
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 20
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Nanoimprint
dvoustupnovy proces:
a)
b)
d)
e)
c)
formou se vytvaruje rezist (PMMA, PC)rezist se zpracuje (RIE)
pote nasleduje zpracovanı (napr. lift-off)metoda jednoducha, velmi presnahromadna produkceantiadhesivnı vrstvavtisk pri teplote nad Tg po nekolik minut,ochlazenı pod tlakempresnost zavisı na reologickych vlastnostech, η a Tg (lepsı nızka M)kvalita otisku zavisı na tloust’ce rezistu hminimalnı motiv muze byt mensı nez molekula rezistu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 21
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Three-layer nanoimprint
problemy u struktur s velkym ARtrojvrstvy proces:
do hornı vrstvy PMMA se obtiskne formapomocı RIE se prenese do PMGI vrstvy
spodnı rezist muze byt tlustsıspodnı rezist tepelne stabilnımezi rezisty je oddelujıcı vrstva kovu (Ge)lze dosahnout rızenı velikosti az do 10 nmmuze probıhat pri pokojove teplote
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 22
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
UV-NIL
vyuzitı UV odstranı pomalost vzniklou zahrıvanım a chlazenımnanese se monomer s katalyzatorem
��������������������������������������������
���������������������������������
���������������������������������
UV
vtiskne se forma z kremenepouzije se UV zarenıv mıstech, kde je forma propustna,dojde k polymerizaciforma se oddalıvse probıha pri pokojove teplote, rychledochazı k ocist’ovanı formy
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 23
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Microcontact printing
soft litografie – polydimeethylsiloxane (PDMS)silikonovy olej z –OSi(CH3)2O–
PDMS
Au
ohebny, pruhledny, chemicky inertnız PDMS se vytvorı obtisk formy
nalitı prekurzoru PDMS a katalyzatoruzahratı pro urychlenı reakce (80 ◦C, 1 h)vlastnosti lze volit pomerem slozek
namocenı PDMS razıtka do thioluobtistenı na zlaty povrch (vazba S–Au)oblasti kontaktu jsou chraneny thiolemzpracovanı Au vrstvyprıpadne zpracovanı podlozky
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 24
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Microcontact printing
moznost tvorby na velkych plochach v jednom krokulze pouzıt i na zakrivene povrchymoznost rotacnıho tiskurozlisenı omezeno difuzı thiolu, asi 50 nmjine organicke molekuly (proteiny) lze tisknout na jine povrchy (sklo)oproti technikam typu EBL, FIB, CVD ci MBE umoznuje vytvarenıtvarovanych vrstev z (bio)molekul
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 25
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Nanoembossing
tvorba nanostruktur na povrchu objemoveho materialuvyuzıva kulicky z polymeru (napr. PMMA):
a)
c)
b)
kulicky se nasypou na povrch formyzvrchu se stlacı deskouteplota se zvysı nad Tgpo urcite dobe se teplota snızıoddalene desky
reprodukce je velmi vernalze tvorit najednou hluboke kanaly i melke ryhyvelmi levne, aplikace: difrakcnı opticke elementymodifikace s laserem roztavenou vrstvou Si
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 26
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Molding
vyuzıva se kapilarnı sılyna rovinnou PDMS podlozku, ktera obsahuje pory, se nalije kapalnypolymerkapilarnı sıla vtahuje polymer do porupolymer ztuhne a vysledna sıt’kopıruje puvodnı poryrozpustı se PDMStloust’ky 10 nmlze pouzıt pro lokalnı depozici molekul (proteiny, katalyzatory)obdobne lze vyuzıt napr. pory v membranach
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 27
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Interface lithography
vytvarenı trojrozmernych struktur��������
PMMA
kombinace dvou technik (dva typy rezistu)pomocı EBL se vytvorı zavesena strukturapote se pomocı rtg litografie vytvorısloupcova struktura v rezistu PMMAelektrolyticky se necha vyrust kovova vyplnrtg ozarenı muze byt i sikmelze vytvorit napr. drat zaveseny na PMMAsloupcıch
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 28
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Samousporadanı (SA)
self-assemblyvyuzıva nekovalentnı interakcedochazı k samovolnemu usporadanı zakladnıch jednotekzakladnı jednotky – molekuly, nanocastice, koloidy
vysledna struktura je blızka termodynamicke rovnovazeslabsı interakce→ samovolna korekce, bez defektuusporadanı pri prechodu z kapalne nebo plynne fazelze dosahnout velke vyteznosti pri relativnı jednoduchostipro vyuzitelnost je treba rozumny navrh zakladnıch jednotek:
co bude pusobit jako „lepidlo“jak se jednotky poznajı
zname prıklady: SAM, koloidnı krystaly
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 29
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Zakladnı interakce
zakladnı interakceelektrostatickevodıkova vazbaπ-π interakcedisperznı sılyhydrofobnı efektykoordinacnı vazba
k usporadanı dochazı pusobenımfyzikalnım – dochazı k minimalizaci energiechemickem – dochazı ke komplementarnı vazbe
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 30
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Usporadanı castic na podlozce
pusobenı kapilarnıch silbez castic bude povrch kapaliny rovnycastice jej deformujı→ lateralnı sıly
dva zakladnı prıstupy:castice plujı v kapaline,pusobı gravitacecastice castecne ponorene,pusobı smacenı
sıla pro 2 stejne casticeF ∼ R
σK1(L)F ∼ R2σK1(L)L vzdalenost casticσ povrchove napetıK1 modifikovana Besselovafunkce
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 31
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Template assisted SA (TASA)
postupne vysychanı roztoku s koloidypovrch s vytvorenym vzorkemkoloidy se zachycujı na vzorkuusporadanı zavisı na geometrii nerovnostıukazka pro valcove otvory
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 32
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
TASA – 2D vzorek
tvar shluku zavisı na geometrickych pomerechF – sloupek uprostred, D – pro ctvercovou pyramidu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 33
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
TASA – 1D vzorek
zarezy s profilem ve tvaru Vstruktura sroubovice
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 34
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Self-assembled monolayers
casto alkenthiolytypicky tvar molekuly
povrchove aktivnı hlavickaalkylovy retezeckoncova cast
charakter usporadanıhexagonalnı struktura hlavicekmolekuly majı sklon ∼ 30◦ (maximalizace vdW)
X(CH2)nSH + Au0 → X(CH2)nS− + Au1 + 12 H2
pro dobrou strukturu n > 11i jine typy molekul
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 35
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Prıprava SAM
velmi jednoduchadefekty:
nerovnosti podlozkypodmınky prıpravy
aplikace SAMvhodne pro nanolitografiiaplikace v molekularnı elektroniceochrana proti korozi
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 36
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
SAM na nanocasticıch
moznost vytvorit SAM i na zakrivenych povrsıchnavazanı na castice umoznı vznik organizovanych struktur
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 37
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
SA na vzorovanych povrsıch
nanolitografickou technikou se modifikuje povrch tak, abynektere oblasti byly pro zakladnı bloky „chytlave“,okolnı oblasti zakladnı bloky je nevazou
pouzije se postup ze SAve vysledku je SA vrstva lokalne modifikovanaruzne metody modifikace povrchu
elektrostaticka, zakrytı Au vrstvy
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 38
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Layer-by-Layer depozice (LBL)
vyuzıva elektrostaticke interakce – vetsı moznost kontrolynanası latku na pevny povrch
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 39
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Filmy Langmuira-Blodgettove
mono ci vıcevrstvy amfifilnıch molekul prenesene z rozhranıkapalina–plyn na pevnou podlozkuna povrch kapaliny se nakapne roztok molekulvytvorı se monovrstva (prıpadne se stlacı)skrze vrstvu se protahne podlozkapri vytahovanı podlozky se molekuly prichytıvznikajı 2 monovrstvy na podlozceopakovanym ponorenım vznikajı vıcevrstvy
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 40
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Metody vyuzıvajıcı formy a maskyMetody vyuzıvajıcı usporadane struktury
Nanosphere lithography
tvorba periodickych objektuvytvorenı monovrstvy z tesneusporadanych casticdepozice atomuodstranenı casticmoznost masky ze dvou vrstevmodifikace pro biomolekuly
nanese se roztok sfer s molekulamisfery vytvorı usporadanı,biomolekuly vrstvu na podlozceodstranenı kulicekvznika souvisla vrstva biomolekul,prerusovana v mıstech, kontaktu kuliceks podlozkou
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 41
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove techniky
Scanning probe nanolithography
vyuzıvajı radu lokalnı interakcı hrot–vzorekrozlisenı jednotky az desıtky nmprace v okolnım prostredı (bez vakua, extra cistych prostor)nevyuzıvajı masky, rızeno pocıtacemseriova podstata omezuje rychlostmohou pracovat s rezistem jako fotolitografie nebo EBL:
prostorove omezenes mensı energiıstacı mensı tloust’ka rezistulze kombinovat velke plochy FL, male SPM
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 42
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Manipulace s atomy
moznost na atomarne hladkych povrsıch, demonstracnıSTM i AFM, vetsinou odlisne podmınky (teplota)
Xe na Ni Fe na Cu
Si(7× 7)
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 43
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Manipulace Sn/Si
monoatomarnı Sn vrtsva na Si s Si defektyvertikalnı manipulace (zamenovanı atomu)doba prıpravy 1,5 hod
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 44
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Chemicke reakce
pomocı STM lze iniciovat chemicke reakce (neelasticke tunelovanı)Ulmanova reakce, bezne 210–300 K, zde pri 20 K
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 45
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Skrabanı povrchu
nejjednodussı technika – mechanicka deformacedotek hrotu s povrchem – dolık nebo kopecektazenı hrotu vytvorı caryruzne zpusoby: odstranenı substratu, vodnı vrstvy, nebo adherovanevrstvy, deformace substratuvysledek zavisı na polomeru hrotu, rychlosti tazenı, substratumetody: kontaktnı, poklepovatypicky ryha obklopena zvysenou vrstvoulze strukturovat rezist
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 46
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Nanoshaving a nanografting
navazuje na predchozı, kontaktnı rezimodstranujı se adherovane vrstvysamousporadanych kratkych molekulnanoshaving – jen odstranenı, ryha
difuze molekul zhorsı rozlisenınanografting – v okolnım prostredı dalsımolekuly, dojde k nahrazenı
podstatny je rozdıl koncentracımoznost prototypovanı nanoobvodutotez bez kontaktu, ale s prilozenym napetım
vytrzenı molekulmeniscus force nanograftingtake odstranovanı polymernıch vrstev
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 47
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Atomarnı a molekularnı technikySilove technikyElektricke techniky
Samoorganizace nanostruktur vynucena SPM
hrot skenuje (sıla > 2 nN) po vrstve z rotaxanu (bistabilnı molekuly)skenovanı dodava energii na zmenu struktury, hrot strukturynezapisujepo nekolika skenech se vytvorı usporadana struktura kulicekvelikost a rozestup dan charakteristickym delkovym merıtkemtransformacecım tencı film, tım mensı a hustejsı jsou kulicky
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 48
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Lokalnı anodicka oxidace (LAO)
hrot lokalne oxiduje povrch vzorkuhrot zaporny, vznika el. poleelektrolyza vodnıho menisku dodava OH−
elektricke pole urychluje pohyb iontuvlivem nizsı hustoty oxidy vystupujıkontaktnı i poklepovy rezimvyska a tloust’ka zavisı na napetı,rychlosti, okolnı vlhkostioxidovy vzor lze i odleptat
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 49
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Nanosvarovanı
vyuzıva lokalnı oxidaciuchycenı nanotrubicky k podlozceklouzave spojenı
oxid obrusta okolo trubicky
vyuzitı k slozitym manipulacım
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 50
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Constructive nanolithography (CNL)
vodivy hrot zapisuje nedestruktivne chemickou informaci namonovrstvukontaktnı rezim, vodiva podlozka, vlhkosthrot oxiduje nebo redukuje a vytvarı skryty obrazobraz se vyvola chemickou interakcı s molekulami, ktere reagujı sezmenenymi koncovymi skupinami
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
Si
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
Si
O
−Si−O
O
O
−Si−O
O
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
O
−Si−O
R
Si
O
−Si−O
O
O
−Si−O
O
obdobne catalytic probe nanolithographybez napetıhrot obsahuje vrstvu katalyzatoru
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 51
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
AFM buzena elektrohydrodynamicka litografie
elektricke pole nad roztavenym polymerem vyvola nestabilituproti nı pusobı povrchove napetıpolymer se ohrıva Jouleovym teplem
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 52
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Nabojovy zaznam
prilozene napetı, nedochazı k topografickym zmenaminjekce kladneho nebo zaporneho naboje do dielektrika (elektretu)muze casem vymizetprovedenı: obdoba LAO s opacnou polaritou
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 53
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Dip-pen
nanometrove perohrot namocen do roztoku vhodnych molekulmeniskus mezi hrotem a vzorkem molekuly uvolnuje a prenasıuchycenı molekul na podlozcetezsı pro velke molekulyelektrochemicka dip-pen: nanoelektrochemicky reaktor, redukcekovu na substratu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 54
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Dip-pen
cela rada anorganickych materialu, i slozite magneticke slouceninyvetsinou spatne krystalickeepitaxnı rust CdS „nanoplacek“
inkoust 1 mM Cd(Ac)2 a 1 mM thioacetamidrust trojuhelnıku – shodna vyska, dve orientace nezavisle na skenovanıpodobnost mrızky slıdy a CdS→moznost epitaxestruktury odolne proti vode (prekurzory nejsou)narust vysky po 0,07–0,10 nm (bunka ∼ 0,6 nm)DPN vyhodna pro studium zacatku krystalizace na povrchu
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 55
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Enzyme-Assisted Nanolithography
na hrotu je imobilizovan enzymna podlozce pod hrotem v kontaktu depozice produktu rozkladu
enzym alkalicka fosfataza, substrat BCIP and kofactor NBTtecky – nad jednim mıstem 20 s, pak rychly presuncary – pomaly presun 10 nm/sprumer asi 150 nm, teoreticky i mensı (kratsı cas), vysky 10 nm
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 56
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Tepelny zaznam
podklad z termoplastickeho polymerunosnık obsahuje vodice, ktere zahrıvajı hrotkontaktnı rezimzapnutı proudu zvysı teplotu nad Tg, pusobıcı sıla mechanickydeformujepo zchladnutı zustane prohlubenzaznamove media:
ctenı – s mensım proudem, v dolıku vetsı odvod teplamazanı – zahratı celeho disku
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 57
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
AFM termicka litografie polymeru
u beznych „termickych“ litografiı nedochazı k chemicke zmenepolymeruPoly(tert-butyl akrylat) se nad 150 ◦C rozkladapri zpracovanı velke plochy okraje tvorı termolyzovane produkty,odtlacene lateralnı silou
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 58
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Feroelektricka a magneticka litografie
menı orientaci prıslusnych domenmagneticka – pomocı MFM s mag. hrotemferoelektricka – pomocı napetı (lze realizovat i bez SPM, vodivaforma)zubate okraje
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 59
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
Trojrozmerna litografie
zahraty hrot lokalne desorbuje material
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 60
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
Silove technikyElektricke technikyDalsı techniky
SPM techniky pro zaznamove aplikace
vysoka hustota zaznamu:bunka 10 nm: hustota 1012 bitu/cm2, soucasne technologie 109 bitu/cm2
problem s rychlostı – paralelnıtım vznika problem s detekcı – piezomag. zaznam omezen velikostı domenpro spotrebnı elektroniku nutnost mechanicke odolnosti
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 61
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
DNA nanokonstrukce
DNA jako sablona – pro kovove kationy, nanocasticeDNA jako strukturnı jednotka:
dobre predpovıdatelna vazbaznamy struktura a velikost (prumer 2 nm, delka 3,5 nm)strukturalnı stabilita a flexibilitadvojsroubovice lze spojovat pomocı ssDNAsiroky repertoar laboratornıch technik
pomocı „lepivych“ koncu lze spojovat DNA do mrızkyobecne nekonecne, ale lze i „adresovatelne“
na mrızku se mohou vazat napr. proteiny
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 62
NanolitografieNelitograficke techniky
Vyuzitı SPMBottom-up techniky
DNA origami
vyzitı DNA jako stavebnıch bloku, SA
Aplikovane nanotechnologie Metody tvorby nanostruktur 63
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Problematika nanometrologie
rozsırenı delkove metrologie do nanorozmeruzarucenı jednotnosti a spravnosti merenırozmery pod 100 nm, nejistoty casto pod 1 nmvetsinou mikroskopicke techniky
komercnı prıstroje bez navaznosti na jednotku delky
problem s definicemi dle norem
delkova metrologie – interference stabilizovanym laserempro presna merenı opticka interferometrierozlisenı pod 1 nm i kapacitnı a induktivnı senzory
bez navaznosti na metrdusledne rozlisovat presnost (rozlisenı) a spravnost
konstrukce prıstrojuizolace
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 64
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Opticka interferometrie
vyuzitı vzdalenosti maxim/minim – vlnova delkaMichelsonuv interferometrpolarizace, 1 nebo 2 vlnove delkypro mensı rozmery – interpolace
teoreticky sinusovy prubehvliv indexu lomu, polarizace, difrakcenedokonalosti optiky
prumerovanı pres velkou plochurozlisenı vıcesvazkovych specialnıch interferometru az 0,01 nm
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 65
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Problemy opticke interferometrie
v technicke praxi – merkydefinice mechanickeho a optickeho rozhranı a drsnosti (chyba az 50 nm)nejistota vlnove delkyvliv teploty a moznost jejıho urcenıindex lomu prostredı, pro vliv mensı nez 10 nm pri 100 mm
zmena vlhkosti pod 10 %zmena teploty pod 0,1 ◦Czmena tlaku pod 40 Pavlnova delka s nejistotou pod nm
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 66
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Rentgenova interferometrie
tri Si desticky z monokrystalu, rovnomerne vzdalenevybrousene plochy kolme k rovinam (220)LLL interferometr (Laueho difrakce, Bragguv odraz)minima vzdalena o d220, nezavisı na λnelze pozorovat prımo→Moire prouzky pohybem poslednı lamely
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 67
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Combined Optical and X-ray Interferometer (COXI)
zarızenı pro kalibraci nanoposuvupro posuvy do 1µm je nejistota pro 95 %: ±30 pm∆l = 1
4λ′(N02 −N01) + (nx2 − nx1)d′220 + (fx2 − fx1)d′220
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 68
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Vlastnosti COXI
opticky interferometrhrube, ale velmi presne merıtkonavazany na metrHe-Ne laser stabilizovany I
rtg. interferometrdelı kazdy opticky „prouzek“ na rovne dıly (pres 800)
(0,192 015 497 ± 1,2 · 10−8) nm pri 22,5 ◦C a 100 kPaMo Kα, pres valcove parabolicke zrcadlo
zvysenı intenzityfiltrace nezadoucıch slozek
prostredı – tlumenı vibracı, stabilnı teplota
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 69
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
StandardyInterferometrie
Princip kalibrace
zrcatko T spojeno s motoremzrcatko X spojeno s posuvnou lamelou
1 motor v zakladnı poloze T02 vysledek opticke interference
je v libovolne hodnote3 posuvem X se opt. interference
vyladı tak, aby byla v minimu4 motor se presouva do polohy T15 pocıta se pocet optickych prouzku n6 pak se posune X tak, aby byl opticky
prouzek opet nulovy, pocıtajı se rtg. prouzky N7 vysledny posun je nλ+ Nd220
pro male posuvy lze cıtat pouze rtg. prouzkynad 7µm prouzky mizı vlivem velke deformace materialu
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 70
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
Standardy
Metrologicke AFM
obsahujı vazbu na definici metru3 interferometrymoznost velkeho skenovacıho rozsahukorekce pri vypoctu nebo real-time
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 71
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
Standardy
Standardy roztece
prirozene standardypro atomarnı rozmery – perioda mrıze
vyzaduje atomarnı rozlisenıAFM i TEM, nelze pro SEM
umele standardy1D nebo 2D mrızky
v prıpade AFM platı casto kalibrace jen pro dane podmınkynutno zohlednit napr. vysku vzorku
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 72
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
Standardy
Vyskove standardy
vyska nejakeho prechoduvzdy problem s vlhkostı a znecistenım
prirozene standardy1 vicinalnı povrchy
napr. Si(111) – 0,314 nm??2 leptanı slıdy3 vzorky typu DNA problematicke4 nemajı „normovany“ tvar
umele standardypomocı mikrotechnologieod 8 nm, velke roztece„kalibracnı“ kulicky
merenı provadet kolmo k prechodu
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 73
Uvod do nanometrologieAFM metrologie
Standardy
Dalsı standardy
rovinnostkrystaly rostle Czochralskeho metodouvznikajı atomarne hladne steny (< 1 nm)
drsnostmezera mezi rovinnym sklem (∼ 2 nm) a technickymi standardyumele zvrasnene plochy (nanogrinding)
zvrasnene v jednom smeru, hladke v druhem
tloust’ka vrstevtenka vrstva na ciste podlozcerozdılne pro ruzne techniky
rtg – kremen, Ni vrstva mezi ochrannymi uhlıkovymi vrstvamielipsometrie – SiO2
urcovanı pomocı TEM, litograficke tvarovanı pro AFM
Aplikovane nanotechnologie Nanometrologie 74
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Manipulace pomocı SPM
predevsım nanocastice, nanodratyvyuzitı mechanicke interakce – tazenı, tlacenıpotreba vypnutı zpetne vazbyk pohybu dojde, je-li prumet sıly vetsı nez trecı sıla
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 75
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Manipulace pomocı EM
vyjimecne, vetsinou kombinace nanonastroj a SEM
Sn nanodrat v nanotrubicceAplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 76
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Manipulace pomocı FIB
ohyb nosnıku pomocı tepelneho pusobenı
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 77
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Opticka pinzeta
tvarovany svazek zachytı mikro-objekty, muze i manipulovatprincip – prenos momentudielektricke objektyF ∼ 1
2α∇E2
lze vyuzıt i k mikroskopii
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 78
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Opticka pinzeta – konstrukce
staveny z modifikovanych optickych mikroskopu
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 79
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Nanomanipulatory
system s sirokym rozsahem pohybu a ostrym hrotemmoznost kombinace vıce hrotupresnost polohovanı ∼ 1 nmvyuzitı: manipulace s casticemi, merenı soucastek
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 80
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Mikronastroje
vyuzitı analogiı z makrosvetakleste – problemy se silami (adheze)nuz – rezanı NT pomocı napetı
presnost polohy 50 nm
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 81
Manipulace s nanoobjektyVyuzitı mikroskopickych technikOpticka pinzetaNanomanipulatory a nastroje
Operace bunek
upraveny AFM hrotmoznost vpıchnutı, injekce apod.
Aplikovane nanotechnologie Nanomanipulace 82
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace zakladnıch nanostruktur
rozsırenı aplikacı z mikrosveta:nanocastice pro lestenıochranne povlaky z nanofilmu
mnohdy jen marketingove triky nebo bez dolozene ucinnostineresı se dopady aplikacıhttp://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/browse/
vybrane aplikace nanocastic:SiO2 branı srazenı vody na skleCe nanocastice jako aditiva do benzınu
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 83
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Katalyza
katalyza – zmena rychlosti chemicke reakce zpusobena katalyzatoremkatalyzator – neucastnı se chemicke reakce, ale ovlivnuje jiheterogennı katalyza – katalyzator je v jinem skupenstvı nez reagujıcılatky
casto pevna latka, zalezı na plose povrchuspecificka plocha povrchu m2/gu nanocastic extremne vysoka (az 1000 m2/g)zavisı i na jinych parametrech, napr. krystalove strukture
nanocastice mohou byt zarodky pro dalsı strukturydetoxikace uzemı, cistenı vod (Fe2O3)fotokatalyza TiO2
Au – objemove inertnı, nanocastice pod 5 nm katalyzujı CO
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 84
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Vyuzitı optickych vlastnostı
opticke vlastnosti se menı s velikostı castic (posuv absorpcnıchkrivek)
ochranne UV filtry z nanocastic TiO2barvenı skla – nejstarsı aplikace „nanotechnologiı“rtenky (Fe2O3)
1D retızky castic lze pouzıt jako vlnovodykovove castice zvysujı intenzitu Ramanova zarenı (obecne el. pole)solarnı clanky – napr. amorfnı Fe2O3
Au nanocastice pro plazmonovou rezonanci (opticke zobrazovanı,TERS)
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 85
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Senzory
senzory plynutelısko pokryte vrstvou s nanocasticemireaguje na mnozstvı par danych latek
vetsinou nenı citlivy jen na jednu latkudojde ke zmene odporu
aplikace Fe2O3 pro detekci etanolu
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 86
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Vyuzitı magnetickych vlastnostı
magneticke separace latekmagneticka castice se pokryje vhodnou vrstvoudojde k chemicke vazbe mezi vrstvou a odstranovanou latkoumagnetem se odstranı castice i s latkounapr. systemy pro cistenı krve
magneticka zaznamova media – vhodny tvar a velikostplynove senzoryvyuzitı k chlazenı – magnetokaloricky jev (az mK)detekce prıtomnosti molekul
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 87
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Lekarstvı a bioaplikace
MRIhypertermiedorucovanı a uvolnovanı lecivzachycovanı viruantibakterialnı ucinky strıbra
i makroskopickeprıprava „ciste“ vodytextil
antibakterialnı obvazyobvazy na zapachajıcı ranyoblecenı (ponozky)
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 88
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Fluorescencnı znacky
vetsı fluorescencnı kvantovy zisknedochazı k vyblednutıvetsı posuv frekvenceuzsı emisnı spektrumvıcebarevne zobrazovanıjsou o rad vetsı – vetsı deformacedrahsı nez organicka barviva
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 89
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Nanofluidy
system nanocastic v kapaline (nutna stabilizace)vyuzitı napr. chlazenı – zvysenı tepelne vodivosti, ovlivnenı viskozityferrofluidy
koloidnı system z magnetickych nanocastic ∼ 10 nmsurfaktanty zabranujı aglomeracibez vnejsıho magnetickeho pole nulovy momentvnejsı DC mag. pole castice orientuje (podobnost s kapalnymi krystaly)
vytvarı se retızky castic paralelne s polemcım vetsı pole, tım vıce castic v retızcıchpro pole kolme k filmu vytvarejı konce retızku hexagonalnı usporadanıvzdalenost retızku d zavisı na velikosti polemuze dojıt az k zamrznutı – pevna latka
mag. „jezek“ – nad prahovou intenzitou,minimalizuje mag. energii
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 90
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Nanofluidy
system nanocastic v kapaline (nutna stabilizace)vyuzitı napr. chlazenı – zvysenı tepelne vodivosti, ovlivnenı viskozityferrofluidy
koloidnı system z magnetickych nanocastic ∼ 10 nmsurfaktanty zabranujı aglomeracibez vnejsıho magnetickeho pole nulovy momentvnejsı DC mag. pole castice orientuje (podobnost s kapalnymi krystaly)
vytvarı se retızky castic paralelne s polemcım vetsı pole, tım vıce castic v retızcıchpro pole kolme k filmu vytvarejı konce retızku hexagonalnı usporadanıvzdalenost retızku d zavisı na velikosti polemuze dojıt az k zamrznutı – pevna latka
mag. „jezek“ – nad prahovou intenzitou,minimalizuje mag. energii
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 90
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace ferofluidu
ferofluidy vykazujı optickou aktivitupohybove prvky – posun s mag. polemuzavıranı magnetickych obvodu (slozite tvary)absorbery mechanickych sokutesnenı proti necistotam – uveznenı mag. polemreproduktory – centrovanı cıvky, chlazenı, tlumenımagnetickym polem laditelne difrakcnımrızky – zmena dmaterialy absorbujıcı radarove zarenıtepelne chlazenı – pri vyssıch teplotachmene magneticke, vznika tok casticvizualizace magnetickych domenpresne obrabenı
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 91
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Koloidnı krystaly
monodisperznı koloidy majı tendenci vytvaret 3D usporadanestrukturytvorba krystalu sedimentacı na podlozce, vlivem externıho pole apod.po vysusenı jsou krehke, ve vode se rozpustılze je povazovat za nanoporeznı materialy (matrice)
fotonicke krystalyroviny difraktujı svetlo:barvy (opal), filtry v RS, opt. senzoryslozitejsı (foto)katalyza
barevny inkoust
620 nm
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 92
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace fulerenu
doprava leciv uvnitr fulerenunelinearnı opticka absorpce – ochranne filtrylubrikanty (C60Fn) – ale drahe a nestabilnıochrana kovovych iontu pred agresivnım bioprostredım privysetrenıchFIB s vyuzitım ionizovanych C+60, v porovnanı s Ga+:
je ucinnejsı pri nizsı energiivytvarı mensı zvrasnenı povrchu
pusobı jako antioxidanty (kosmetika)
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 93
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace nanodratu
vodice – neplatı G = σS/lbalisticky rezim pro Lsvd < ljednoduchy model kvantoveho vodice:
nanodrat spojuje dva rezervoary s T1, µ1 a T2, µ2, zde µ1 − µ2 = eUudrzuje se koherentnı fazepro dokonaly balisticky rezim s jednım obsazenym stavem
I =2eh
∫[f1(E)− f2(E)] d E
pro T = 0 K je vodivost G = G0 = 2e2/h = 0,77 mS
Au–Ni nanodrat jako termoclanek s rychlou odezvou
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 94
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace nanotrubicek
vodice z kovovych nanotrubicekspojenı dvou NT s rozdılnou chiralitou vytvarı dioduFET tranzistory s nanotrubickouhroty pro SPMochrana proti elektrickym vybojum (polymernı matrice)
branı hromadenı naboje na izolacnıch polymerech
elektromagneticke stınenıtepelne chlazenı na cipechmechanicke zpevnenı (nahrada uhlıkovych vlaken)
problem s prenosem namahanı – netecnetlumenı vibracı
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 95
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Aplikace nanotrubicek
FE zdroj elektronujsou chemicky odolne proti znecistenıpevna vazba branı odprasenılze dosahnout vysokych proudu (odolajı az 109 A/cm−2)emise je stabilnı, dlouha zivotnostaplikace – monitory, „zarovky“
superkondenzatoryvzdalenost desek je ∼ 1 nmvelka plocha povrchu NTaz 200 F/g
pohybove prvky – ovladacı napetı ∼ 1 V (napr. PZT ∼ 100 V)senzory – velka plocha povrchu, ovlivnenı transportu elektronubaterie – Li+ ionty se vkladajı do grafitovych vrstev, B-dopovane NTjako nejefektivnejsıuchovanı vodıku/plynu uvnitr trubiceksynteza nanodraturealizace cerneho telesaAplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 96
NanocasticeNanodraty a nanotrubicky
Nanovlakna
shluk vlaken ve forme (netkane) textilie, prumery pod 1000 nmprıprava Nanospider – elektrostaticke zvlaknovanıaplikace
velka plocha povrchu – funkcionalizace (fotovoltaika)tlumenı hlukuobvazy nepropustne pro bakterie (obecne filtry)„inteligentnı“ oblecenı
Aplikovane nanotechnologie Aplikace zakladnıch nanosystemu 97
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy CMOS elektronika
Omezenı soucasne elektroniky
zalozena na vyuzitı polovodicuprevazne CMOS technologieplanarnı technologieztratovy tepelny vykondotovanı polovodicuspınacı dobydelka a pocet vodicu – prodlenı, vetsı odpor (prurez)
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 98
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy CMOS elektronika
Skalovanı CMOS tranzistoru
MOS tranzistor – pruchod proudu ovlivnitelny polem (napetım)dulezitym parametrem je delka hradla LG
CMOS – pouzitı PMOS a NMOSzmensenı rozmeru vede ke snızenı LG
vliv na Ion, Ioffpriblızenı vyprazdnenych oblastısnızenı potencialove bariery
vliv tloust’ky oxidove vrstvy eredukce rozmeru – problemy s propojenım
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 99
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy CMOS elektronika
NanoMOS
rozmery az LG = 16 nmproblemy s vrstvou oxidu
zıskanı homogennıch vlastnostı na cipuvznik slabych mıstomezenı neprızniveho vlivu drsnostipruchod dopantu z jedne oblasti do druhetunelovanı proudu
jine technologie nez CMOSHEMTsupravodicemolekularnı elektronikajine architektury (opticke, kapacitnı)
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 100
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy CMOS elektronika
Nanotrioda
princip vakuove triody v pevne latce (mikrovakuova elektronika –MVE)vyuzıva polnı emise z W sloupku
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 101
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Adaptace pro nanosystemy
velky pocet velmi malych prvkuproblem s propojovanım vodici (adresace, programovanı apod.)vhodna lokalnı struktura – prvek interaguje jen se svym okolımopakovanı stejneho motivu
velka chybovostmnoho prvku bude vadnych
i klasicke polovodice majı velky rozptyl parametrujediny vadny prvek v CMOS zpusobı nefunkcnost, redundance je draha
nutna robustnostcitlivost na okolnı podmınky
projevy kvantoveho svetasamokonfigurovanı, samooptimalizovanı, samolecenı
tolerance k defektum – schopnost pracovat i bez fyzicke opravyklasicke pocıtace/procesory
velka ruznorodost jednoteklimity technologie
spatne zmensovanı architektur s dlouhymi vzdalenostmi
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 102
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Paralelizace
zvysenı vykonnosti pomocı soucasnych vypoctusoucasne systemy:
jeden ci nekolik procesoru/jaderfyzicke oddelenı pameti (dat a programu) a procesorujednoducha architektura a realizacevetsina obvodu je v danem case neaktivnı a generuje ztratove teplo
paralelnı usporadanı – narocne na harmonizaciucinnost zavisı na definici
F
F
F
F
F
F F
η0η0
η0 η0=Nη0 η0=N
1
2
1 2
kriterium cas: stacı paralelnı usporadanıkriterium frekvence/plocha cipu:paralelnı suboperace
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 103
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Rekonfigurace
rekonfigurovatelne pocıtacesestava z opakujıcı se architekturykazdy element obsahuje lokalnı instrukcnı jednotku a pamet’datlogicka funkce jednotky lze programovat pres rekonfigurovatelnelogicke bloky
moznost rekonfigurace prevadı hardware na softwarenapr. adresovatelne spınace
look-up tabulkymısto vypoctu lze vysledek vyhledatkombinace vstupnıch hodnot slouzı jako adresaaritmeticka jednotka je nahrazena pametı
+ kdyz mame pamet’, muzeme i pocıtat+ cas vypoctu nezavisı na operatoru, ale
na technologii a strukture pameti+ lze-li menit obsah pameti, lze funkci prizpusobovat− slozite/presne operace vyzadujı velkou kapacitu pameti− slozitost adresovacıho obvodu
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 104
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Softcomputing
vyuzitı fuzzy systemu, genetickych algoritmu a umelychneuronovych sıtıduraz na autonomnı systemy (obtızne programovanı)fuzzy systemy
strukturovanı a programovanı pomocı lingvistickych datzpracovanı je odolne vzhledem ke zmenam absolutnıch hodnot velicinzpravidla stacı do 5 pravidel
evolucnı algoritmyvhodna volba cılove funkcemutace a krızenı dat
connectionistic systemyjednotlive procesory jsou prımo spojenysıla vazeb urcuje chovanı sıtespecialnım prıpadem jsou neuronove sıte
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 105
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Rozlozene a odolne uloziste
asociativnı pamet’– nevyuzıva adresuasociativnı matice
vaha bud’ jedna nebo nulave fazi ucenı se nastavı jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1pri vybavovanı se vstup X pronasobı s kazdym sloupcem vah,vysledky se sectou a prahujıvolba prahu urcuje verohodnost
snızenı prahu toleruje chybykazda informace je ulozena v celem objemu matice
funguje jen pro rıdke matice
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 106
Omezenı soucasne elektronikyElektronicke nanosystemy
Paralelnı architekturySoftcomputing
Specialnı hradla
vıcehodnotova logika (napr. i ukladanı do pametı)Fredkinova hradla
bezna hradla vedou ke ztrate informacespojenı s entropiı a disipacı energie – ohrev ∆E = kBT ln 2∆Htri vstupy (u, x1, x2) a vystupy (v = u, y1 = ux1 + ux2, y2 = ux1 + ux2)pouzije se jen jeden zadoucı vystup, ostatnı jdou do „odpadu“
k ohrevu dojde az mimo hradloohrev vyznamny u molekularnıch procesu (obtızne chlazenı)vyuzitı napr. u = a, x1 = b, x2 = 0 zıskame AND y1 = ab
vetsinova hradlavystup je roven prevazujıcı hodnote na vstupunapr. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 1 dava y = 0
0 1
0
1
0 1
0
1
AND OR
zaroven univerzalnı hradlo:je-li rıdıcı signal 0, realizuje ANDje-li ridıcı signal 1, realizuje OR
dulezite pro chybujıcı nanosystemypotreba rozhranı s konvencnı Boolovou algebrou
Aplikovane nanotechnologie Nanoelektronika 107
Vybrana literatura
Dostupne elektronicky:
Springer Handbook of Nanotechnology
Introduction to Nanoscale Science and Technology
Ostatnı:
Dupas, C.; Houdy, P.; Lahmani, M.: Nanoscience, Springer
Kohler, M.; Fritzsche, W.: Nanotechnology. An Introduction to NanostructuringTechniques, Wiley
Goser, K.; Glosekotter, P.; Dienstuhl, J.: Nanoelectronics and Nanosystems, Springer 2004
Schmid, G.: Nanoparticles. From Theory to Application, Wiley
Shatkin, J. A.: Nanotechnology. Health and Environmental Risks, CRC Press
Aplikovane nanotechnologie 108