Aplikované nanotechnologie II

Katedra experimentální fyziky Univerzita Palackého v Olomouci

Aplikovaná fyzika

Prezentace k přednášce

Aplikované nanotechnologie Nanoelektronika MEMS, NEMS a molekulární stroje Nanoměření

Aplikované nanotechnologie II

II

Elektronické nanosystémy Bioinspirace Technologie nanosystémů

CMOS elektronika

Přehled nanoelektroniky

Buňková pole

Tolerantní k chybám

Inspirovaná biologií

RSFQ

1D struktury

Rezonanční tunelování

Jednoelektronová zařízení

Fázová změna

Floating body DRAM

Nano FG

Jednoelektronová


Kvantové počítání

Molekulární

QCA

Insulator resistance change

Nanoelektronika

Architektura Spinové tranzistory

Molekulární

Logika Paměti

2


CMOS elektronika

Omezení současné elektroniky

založená na využití polovodičů převážně CMOS technologie planární technologie ztrátový tepelný výkon dotování polovodičů spínací doby délka a počet vodičů – prodlení, větší odpor (průřez)


Nanoelektronika

3


CMOS elektronika

Škálování CMOS tranzistoru

MOS tranzistor – průchod proudu ovlivnitelný polem (napětím) důležitým parametrem je délka hradla LG CMOS – použití PMOS a NMOS zmenšení rozměrů vede ke snížení LG vliv na Ion , Ioff přiblížení vyprázdněných oblastí snížení potenciálové bariéry

vliv tloušťky oxidové vrstvy e redukce rozměrů – problémy s propojením


Nanoelektronika

4


CMOS elektronika

NanoMOS rozměry až LG = 16 nm problémy s vrstvou oxidu získání homogenních vlastností na čipu vznik slabých míst omezení nepříznivého vlivu drsnosti průchod dopantů z jedné oblasti do druhé tunelování proudu

jiné technologie než CMOS HEMT supravodiče molekulární elektronika jiné architektury (optické, kapacitní)


Nanoelektronika

5


CMOS elektronika

Nanotrioda

princip vakuové triody v pevné látce (mikrovakuová elektronika – MVE) využívá polní emise z W sloupků


Nanoelektronika

6


Paralelní architektury Softcomputing

Adaptace pro nanosystémy velký počet velmi malých prvků problém s propojováním vodiči (adresace, programování apod.) vhodná lokální struktura – prvek interaguje jen se svým okolím opakování stejného motivu

velká chybovost

mnoho prvků bude vadných i klasické polovodiče mají velký rozptyl parametrů jediný vadný prvek v CMOS způsobí nefunkčnost, redundance je drahá

nutná robustnost citlivost na okolní podmínky

projevy kvantového světa samokonfigurování, samooptimalizování, samoléčení tolerance k defektům – schopnost pracovat i bez fyzické opravy

klasické počítače/procesory velká různorodost jednotek limity technologie špatné zmenšování architektur s dlouhými vzdálenostmi Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

7



Paralelizace zvýšení výkonnosti pomocí současných výpočtů současné systémy: jeden či několik procesorů/jader fyzické oddělení paměti (dat a programu) a procesoru jednoduchá architektura a realizace většina obvodů je v daném čase neaktivní a generuje ztrátové teplo

paralelní uspořádání – náročné na harmonizaci účinnost závisí na definici

F

F

kritérium čas: stačí paralelní uspořádání kritérium frekvence/plocha čipu: paralelní suboperace

η0 F

F

1 F1

F

2

η 0 =N η 0


Nanoelektronika

η0 F2

η 0 =N η 0

8



Optimální paralelizace maximální dosah – parazitní kapacity, např. 10 nm při 10 GHz zpoždění – např. 3 × 3, výstupy v různém čase, řízené zpoždění stupeň paralelizace Pp = Npj /Nop celkový čas výpočtu tp = Pt0p , t0 čas jedné operace tepelné ztráty 2 dynamické Pdyn = CL Unap fc – úměrné čtverci napětí, nezávisí na paralelizaci statické – úměrné stupni paralelizace (úniky proudu) existuje optimální stupeň paralelizace 2

1

0

2

1

τ

0


Nanoelektronika

9



Systolická pole systolická pole – název podle pravidelného rytmu má pravidelné uspořádání data polem prochází podobně jako krev v cévách aplikace např. lineární programování matice W = (wij ), vstupní vektor X = (x1 , x2 , x3 ) a výstup Y y1 = w11 x1 + w12 x2 + w13 x3 v každém cyklu se provede pronásobení a přičtení hodnoty zleva po třetím kroku je výsledek y1 , po pátém y3 současně s y2 lze získat z1 výpočet 27 násobení jen s 9 prvky


Nanoelektronika

10





Nanoelektronika

10





Nanoelektronika

10



IRAM procesory s velkou pamětí velký výkonový rozdíl mezi pamětí a procesorem chache nemá svou vlastní cenu, jen zaplňuje mezeru RISC architekturu lze snadno integrovat na paměťový čip inteligentní RAM – IRAM různé možné výhody: např. energetická účinnost – aktivace jen nutného modulu

max. hodinový kmitočet – adresní prostor (doba operace) a kapacita paměti (větší zpoždění) vícebranné paměti – př. součet vyžaduje 3 přístupy (2 čtení, 1 zápis) tříbranná pamět umožní v jednom cyklu šestibranná paměť vykoná dva součty


Nanoelektronika

11



Rekonfigurace rekonfigurovatelné počítače složené z opakující se architektury každý element obsahuje lokální instrukční jednotku a paměť dat logickou funkci jednotky lze programovat přes rekonfigurovatelné logické bloky možnost rekonfigurace převádí hardware na software např. adresovatelné spínače

look-up tabulky (LUT) místo výpočtů lze výsledek vyhledat kombinace vstupních hodnot slouží jako adresa aritmetická jednotka je nahrazena pamětí + když máme paměť, můžeme i počítat + čas výpočtu nezávisí na operátoru, ale na technologii a struktuře paměti + lze-li měnit obsah paměti, lze funkci přizpůsobovat − složité/přesné operace vyžadují velkou kapacitu paměti − složitost adresovacího obvodu Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

12



Teramac zkušební realizace počítače tolerantního k chybám 106 logických jednotek, 1 MHz, top-down přístup záměrně vadné součástky, 220 000 defektů rekonfigurovatelné schéma, použití tlustého stromu

konstrukce výpočty pomocí LUT (6 vstupů) 16 LUT spojeno přes X-bar → hexant 16 hexantů přes 4 X-bary tvoří logický čip (LC) 8 LC komunikuje přes FPGA ve funkci směrovacích čipů (RC) a tvoří multičip (MCM) deska tištěných spojů (PCB) má 4 MCM 8 PCB tvoří Teramac

závěry

popis

funguje při dostatečné komunikační kapacitě najít zdravé jednotky struktura nemusí být regulární, ale musí být velký stupeň propojení nejpočetnějším prvkem jsou dráty Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

13



Softcomputing využití fuzzy systémů, genetických algoritmů a umělých neuronových sítí důraz na autonomní systémy (obtížné programování) fuzzy systémy strukturování a programování pomocí lingvistických dat zpracování je odolné vzhledem ke změnám absolutních hodnot veličin zpravidla stačí do 5 pravidel

evoluční algoritmy vhodná volba cílové funkce mutace a křížení dat

connectionistic systémy jednotlivé procesory jsou přímo spojeny síla vazeb určuje chování sítě speciálním případem jsou neuronové sítě Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

14



Rozložené a odolné úložiště asociativní paměť – nevyužívá adresu asociativní matice váha buď jedna, nebo nula ve fázi učení se nastaví jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1 při vybavování se vstup X pronásobí s každým sloupcem vah, výsledky se sečtou a prahují volba prahu určuje věrohodnost snížení prahu toleruje chyby

každá informace je uložena v celém objemu matice funguje jen pro řídké matice 0 0 1 1 1 0 0

1 1

1

1

0

1 1

1

1

0 1 0 0 0 1 1

1 1

0

1 1

1 1 1 1

1


0

0

1 1 1 1

1

Nanoelektronika

1 0 0 1 0 1

0 1

0 1 1 1

1 1

1 1

1

1 1

0 1 1 1

1 1

1

1

15



Rozložené a odolné úložiště asociativní paměť – nevyužívá adresu asociativní matice váha buď jedna, nebo nula ve fázi učení se nastaví jedna v uzlu, kde x = 1 a y = 1 při vybavování se vstup X pronásobí s každým sloupcem vah, výsledky se sečtou a prahují volba prahu určuje věrohodnost snížení prahu toleruje chyby

každá informace je uložena v celém objemu matice funguje jen pro řídké matice 0 1 1 1 0 0 Σ Y

1

1 1 1 1

1 1 0 0

3 1

1 1 1 1 0

1 1 1 1

3 1

1 1 1 0


0 1 1 1 0 0 Σ Y

1 • 1 1 1 0

Nanoelektronika

1 1 1 1

3 1

1 1 1 1 0

1 1 1 •

1

2 1

1 1 0 15



Speciální hradla vícehodnotová logika (např. i ukládání do pamětí) Fredkinova hradla běžná hradla vedou ke ztrátě informace spojení s entropií a disipací energie – ohřev ∆E = kB T ln 2∆H tři vstupy (u, x1 , x2 ) a výstupy (v = u, y1 = ux1 + ux2 , y2 = ux1 + ux2 ) použije se jen jeden žádoucí výstup, ostatní jdou do „odpadu“ k ohřevu dojde až mimo hradlo

ohřev významný u molekulárních procesů (obtížné chlazení) využití např. u = a, x1 = b, x2 = 0 získáme AND y1 = ab

většinová hradla

výstup je roven převažující hodnotě na vstupu např. x1 = 0, x2 = 0, x3 = 1 dává y = 0 zároveň univerzální hradlo: je-li řídící signál 0, realizuje AND je-li řidící signál 1, realizuje OR

1

1

0

0

důležité pro chybující nanosystémy

potřeba rozhraní s konvenční Boolovou algebrou Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

0

AND

1

0

OR

1

16


Biologické koncepty Bioelektronika

Biologické sítě mozek jako nanosystém pro zpracování informací neuron složený z jádra, dendritů a axonů rozměr neuronu ∼ mm, délka axonu až 1 m komunikace pomocí dendritů (synapse) krátkodobé uložení – elektrické signály dlouhodobé uložení – biochemické změny v synapsích 1. aproximace – neuron jako prahové hradlo: velký výstupní signál v případě, že vstup překročí práh výstup nezávisí na rychlosti vstupu w1 w2 w3

Σ

S

w4 vstupy

součtový uzel


aktivační funkce

výstup

Nanoelektronika

17



Integrace neuronů s křemíkem neuron na Si povrchu ve vhodném roztoku neuron roste růst sleduje kanály na povrchu Si rozvětvení kanálů vede k rozdělení nervových vláken

podél vláken se šíří elektrické pulzy jeho elektrické pole ovlivňuje MOS struktury příklad interakce: náboj nervového vlákna ovlivní náboj na povrchu Si, což vytvoří vodivý kanál mezi S a D MOS tranzistoru hustota „integrace“ je nízká aplikace zajímavá např. pro lékařství


Nanoelektronika

18



Další možnosti metody napodobující biologické funkce modelování neuronů pomocí VLSI obvodů „náhradní“ obvod s charakteristikou podobnou neuronu nabíjení kondenzátoru, překlopení výstupu, následné vybití kondezátoru a děj se může opakovat model pracuje i v podprahové oblasti

neuronové sítě UB T3

T5

T4

T6

In

Out

T2 T1 Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

UP 19



DNA počítače probíhají chemické reakce s DNA, které řeší nějaký problém masivní paralelizace, velká kapacita „paměti“

data jsou zakódována do posloupnosti A, C, T, G v DNA biochemické laboratorní techniky imitují aritmetické operace hustota informace (4 stavy) je 1 bit/nm3 , 1 litr asi 1023 bází DNA „výpočty“ nejsou bezchybné je třeba vybrat správné řešení DNA musí být redundantní, přírodní většinou není aplikace: různé vyhledávací problémy, hledáme jeden řetězec v konkurenci se zrychlujícími PC nemusí uspět

aplikace funkce f na neznámý fragment DNA použití PC by vyžadovalo sekvencování a digitalizaci

polymeráza – kopíruje DNA, Turingův stroj Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

20



Problém obchodního cestujícího klasický případ hledání hamiltonovské cesty známé algoritmy pro rozhodnutí, zda hamiltonovská cesta existuje nebo ne exponeciální náročnost v nejhorším případě neexistuje polynomiální algoritmus

nedeterministický přístup vytvořit náhodné cesty skrz graf ponechat pouze ty cesty, které začínají v počátečním a končí v koncovém bodě má-li graf n bodů, ponechat pouze cesty s délkou n ponechat pouze ty cesty, které každým uzlem projdou alespoň (jen) jednou zůstala-li alespoň jedna cesta, problém má řešení lze potvrdit existenci cesty, ale nelze vyvrátit


Nanoelektronika

21



Realizace DNA počítače realizace: 10 merů pro kód vrcholu Oi , 20-mer pro hranu Oi→j , syntéza řetězců, smíchání s Oi a Oi→j , dojde ke sloučení a vytvoření DNA–náhodných cest PCR s využitím Oin a Oout , jen tyto cesty se zesílí průchod gelem, vyříznutí pásu 140 bp (∼ 7 vrcholů), získá se DNA, zesílí se PCR a vyčistí vyčištění pomocí mag. separace převede se dsDNA → ssDNA inkubuje se s O1 s navázanými mag. kuličkami magneticky se odseparuje opakuje se postupně s O2 , . . . nejnáročnější část

PCR zesílení a identifikace Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

22



Zhodnocení DNA počítače

Adleman 1994: 6 vrcholů/měst výpočet asi 7 dnů (1 den mag. separace), 1014 operací

hmotnostní problém – pro 200 měst množství DNA převýší hmotnost Země využití dalších algoritmů, např. neuronových sítí, genetických algoritmů atd.

z 1 J lze získat 1019 operací termodynamický limit 30 · 1019 , konvenční počítač 1010


Nanoelektronika

23



Bioelektronika inspirace biologickými systémy, wet electronics základem je analogie buněčné membrány Langmuirův-Blodgettové dvojvrstva přidání pórů jako iontových kanálků vhodné molekuly mohou kanály aktivovat → řízený spínač

molekulární procesory: zpracování informace pomocí enzymů receptory převedou vstup na molekuly pokud se molekuly vážou s enzymy, lze aktivovat daný výstup program závisí na receptorech a read-out enzymech jako nosiče dat slouží molekuly pohybují se tepelně, velmi pomalu, rozumná rychlost – paralelizace


Nanoelektronika

24



DNA biočipy pro analýzu biologických vzorků testování nemocí nebo kvality potravin

microarray pole Au plošek, pokrytých různými ssDNA vpustí se analyzovaný roztok (označený) analyzované molekuly se navážou jen v místě s komplementární ssDNA propláchnutí a detekce navázání (např. elektrická, optická – fluorescence)

obdobně pro proteiny atd.

40 000 sond Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

25


Molekulární elektronika Kvantová elektronika

Požadavky na technologii vztah k současné technologii krátkodobý horizont: nejde o nahrazení CMOS, ale o integraci nových technologií dlouhodobý horizont: kompletně nová technologie

požadavky na vhodnou technologii schopnost masové produkce amplitudové zesílení (nelinearita) možnost rozvětvení výstupu (výkonové zesílení) dobré odstínění vstupů a výstupů funkce obvodu nezávisí na stavu obvodů připojených k jeho výstupu

dobrá průchodnost signálu přes tisíce a více modulů odolnost vůči malým odchylkám v prostředí či výrobě u malých rozměrů lze z požadavků slevit


Nanoelektronika

26



Molekulové kaskády „mechanické“ molekulové zařízení uspořádání molekul CO pomocí STM za nízkých teplot molekula tuneluje mezi sousedními vazebnými místy pohyb jedné molekuly CO na Cu(111) vyvolá pohyb druhé, atd. (jako kostky domina) → molekulová kaskáda trimery mají tři uspořádání bent-line (chevron) přechází na symetrické (v minutách)

princip operace

molekuly se vhodně rozmístí spouštěcí molekula se přemístí STM → první chevron chevron se rozpadne a vytvoří druhý atd. dopředný směr je doprovázen poklesem energie okrajové molekuly zvyšují rychlost

možnost realizace logických operací „rozpadlý“ stav je log. 0 AND: oba vstupy log. 1, jinak se nevytvoří chevron ve spoji i složité obvody (545 molekul) Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

27



Rozdělení nanozařízení

Kvantová nanoelektronická zařízení Pevnolátková

Kvantové tečky

Rezonanční tunelovací


Molekulární

Jednoelektronové

Nanoelektronika

Hybridní mikro−nano

28


Molekulární elektronika Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení

Molekulární elektronika realizace zařízení z jednoho nebo několika objektů o velikosti molekuly funkci mohou vykonávat: molekuly – připravené chemií ve velkých množstvích, reprodukovatelně, mají definované diskrétní spektrum, mohou být bistabilní, self-assembly biomolekuly nanočástice – kvantované úrovně vlivem prostorového omezení, robustnější a méně citlivé než molekuly nanotrubičky a nanodráty

ideálně celou funkci vykoná jedna molekula obecně problém kontaktu mezi obvody


Nanoelektronika

29



Kontaktování molekul STM nebo AFM hrot SAM, ale i jediná molekula velmi univerzální proměnná vzdálenost nestabilní

mechanicky řízený zlom opět lze řídit vzálenost

planární nanomezera vertikální nanomezera pospojované nanočástice


Nanoelektronika

30



Vlastnosti molekul

diskrétní energetické spektrum vazbou se rozšíří na Γ hladiny se mohou posunout předpoklad, že se příliš nezmění procházející proud dán polohou LUMO a HOMO


Nanoelektronika

31



Slabá vazba

molekula si zachovává svou identitu interakce s oběma elektrodami je slabá UΓ přechod elektronu (tunelovým jevem) je postupný 1

2

buď se nejprve nabije molekula (A − WF ) a pak elektron přejde na druhou elektrodu, nebo se nejprve ionizuje molekula (WF − I) a pak se náboj kompenzuje z první elektrody


Nanoelektronika

32



Silná vazba

systém kov-molekula-kov vede na koherentní přenos náboje U≤Γ proud při zahrnutí rozšíření hladin Z 2e ∞ Γ1 Γ2 I= D(E) [f (E, µ1 ) − f (E, µ2 )] d E ~ −∞ Γ


Nanoelektronika

33



Molekulární drát v alifatických řetězcích jsou saturované vazby – izolátory π oligomery mohou být vodivé vodivost souvisí s délkou G = G0 e−βL


Nanoelektronika

34



Molekulární dioda a RD logika

nesymetrická molekula má nesymetrické spektrum nejlepší výsledky C16 H33 − Q − 3CNQ bez řetízku C16 H33 nefunguje

realizace diody a odporu stačí k logickým funkcím


Nanoelektronika

35



Molekulární tranzistor tranzistor typu FET molekula benzen-1,4-dithiolat hradlo posouvá energetické úrovně


Nanoelektronika

36



Bistabilní molekuly

konfigurace molekul závisí na podmínkách může být více stavů zpravidla přepínání světlem aplikace v pamětích


Nanoelektronika

37



Elektromechanické zesilovače

využití C60 a STM aplikace 20 mV modulace na piezo vede k modulaci 100 mV na zátěžovém rezistoru


Nanoelektronika

38



Molekulární hradla invertor: derivát pyrazolu, vstup koncentrace H+ , výstup intenzita optické emise. Změna koncentrace H+ z nízké na vysokou způsobí, že intenzita emise klesne z vysoké hodnoty na nízkou. Aplikujeme-li pozitivní logiku na oba signály, získáme funkci NOT.

OR: derivát antracenu, chemické vstupy (koncentrace Na+ a K+ ), optický výstup (intenzita emise). 1 000 ekvivalentů Na+ /K+ dává 0,053/0,14, současně dávají 0,14. Změny v koncentraci Na+ a/nebo K+ z nízké na vysokou změní intenzitu emise z nízké na vysokou. Použije-li se na všechny signály pozitivní logika, dostáváme hradlo typu OR.

AND: derivát antracenu, chemické vstupy (koncentrace H+ a Na+ ), optický výstup, pozitivní logika


Nanoelektronika

39



Hradla bez chemických vstupů hradlo XNOR s elektrickými vstupy vratné redox procesy TTF vlákno (hodně π-e− ) propleteno BIPY (málo π-e− ) v roztoku acetonitrilu absorpční pás 830 nm, spojený s přenosem náboje elektrické vybuzení → změna redoxního stavu TTF nebo BIPY při napětí +0,5 V oxiduje neutrální TTF jednotka a je odpuzována z dutiny hostitele, proto pás vymizí při −0,3 V se redukuje BIPY, což oslabí přitahování TTF a pás opět vymizí

stav I1 = I2 = 1 vyžaduje obě napětí: nelze na jeden komplex, pouze v roztoku


Nanoelektronika

40



Molekulární přepínače dvoustavový přepínač oranžový (422 nm) azopyridin 8 po H+ přechází na červeno-fialový (556 nm) azopyridinium po přidání zásady se vrací zpět

třístavový přepínač tři vstupy – UV světlo (I1), viditelné světlo (I2) a koncentrace H+ dva výstupy absorbance na 401 nm (O1): vysoká pro zelenožlutý stav 6 absorbance na 563 nm (O2): vysoká pro fialový stav 7

funkce spínače: bezbarvý spiropyran 5 po ozáření UV → merocyanin 7 stav 7 izomeruje zpět na 5 ve tmě nebo po ozáření viditelným světlem alternativně přechází 7 na 6 po zpracování H+ barevný stav 6 přechází na 5 po ozáření viditelným světlem, 7 po odstranění H+ Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

41



Molekulární systémy

současný stav – pro každou funkci nová molekula teoretický návrh s pomocí modelů chemická syntéza ověření vlastností potřeba vhodné (a náhodné) volby vstupů

do budoucna modulární koncepce: bloky AND, OR, NOT potřeba „digitálního“ rozhraní mezi nimi zjednodušení návrhu


Nanoelektronika

42



Přenos informace mezi bloky v běžné elektronice pomocí vodičů chemická komunikace třístavový přepínač při přechodech uvolňuje či zachytává protony na změnu koncentrace H+ reaguje dvoustavový přepínač dochází k přenosu informace pro I1 = I2 = 0 může být výstup 0 nebo 1 v závislosti na historii → paměťový efekt, sekvenční obvod

optické schéma komunikace pomocí procházejícího svazku 563 nm realizace třívstupého hradla NOR 3 kyvety s třístavovými přepínači, každý nezávislý UV vstup jedna přepnutá kyveta sníží intenzitu na 4 %, dvě na 0 zapnutí UV přepne do 7, po zhasnutí UV návrat na 5


Nanoelektronika

43



Kvantové prvky založené na zmenšování klasických prvků jednoelektronové tranzistory pn přechod nahrazen tunelovacím přechodem

nové realizace – např. QCA, kvantová interference bohatší I-V charakteristiky, např. záporný odpor nové problémy vytváříme součástku s vrstvou QD díky vzájemné vazbě QD se chovají jako kvantový drát

electron-wave tranzistor kolmo ke kanálu, protékanému elektrony, je zářez efektivní délku zářezu l lze řídit napětím je-li l = Nλ/2 – zkrat, elektrony dále neprojdou je-li l = (2N + 1)λ/4 – volně prochází dva sériově zapojené tranzistory mohou být AND hradlo

electron-spin tranzistor Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

44



Split-gate tranzistor hradlo rozdělené na dvě oblasti

D

mezi nimi kanál – kvantová jáma

G

změna napětí mění tvar jámy → změna vodivosti s růstem hloubky skokově roste vodivost velikost skoku z relací neurčitosti ∆E∆t ≥ h energie úměrná U a 2e

D G

G

S

G S

G

každý stav pod EF dva elektrony Ug

čas transportu náboje je e/I 2 pak ∆G = UI = 2eh

D

jiná varianta využívá interference G

G S


Nanoelektronika

45



Rezonanční tunelovací dioda (RTD) heterostruktury s dvojitou tunelovou bariérou vytvoří záporný diferenciální odpor podobně jako Esakiho dioda

princip větší mezní frekvence (THz)/krátké sp. časy vliv tunelovacího času a efektivní kapacity kontaktní odpor, časové zpoždění v A kontaktu

velmi malý výstupní výkon µW technologicky velmi malé parabolická struktura – ekvidistantní aplikace: frekv. násobiče, oscilátory, směšovače, spínače lze i jako molekulární Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

46



Technologie RTD InGaAs

konstrukce RTD teoreticky stačí 3 vrstvy, okolní vrstvy pro stabilitu jiná konstrukce 3 vrstvy – VACH závisí na vzdálenosti QW Slovo

aplikace

0

AlAs InGaAs InAs

1

InGaAs AlAs

paměť pomocí 2 RTD logická hradla

Paměťový uzel

invertor, OR RTD díky velkému zisku dodává

Bit

InGaAs

rychlost spínání OR

Invertor

Uout

Uout Uin1

Uin

Uin2

dynamická logická hradla MOBILE stabilita zaručena vlastní bistabilitou necitlivost na únik náboje necitlivost na fluktuace parametrů jednotlivých prvků Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

47



Další aplikace RTD

lineární prahová hradla y(χ) = sign(χ − θ), χ =

PN

i=1 wi xi

6 RTD, 4 FET práh se zadá úpravou anody poslední RTD

CLK

vícehodnotová logika diody mají různé polohy píků

x1

x2 y

U

Práh θ

Uout RTD 1

x3

x4

RTD 2


Nanoelektronika

48



Rezonanční tunelovací tranzistory trojvývodové rezonanční tunelovací zařízení oddělení řízení od výstupu větší možnost rozvětvení vhodnější pro velké obvody

realizace RTBT – integrace do emitorové větve bipolárního tranzistoru Gated RTD – integrace s FET, sériově/paralelně IC

RTD-HEMT

integrace s CMOS

UCE

zvýšení rychlost a snížení disipace menší složitost obvodů: 1b komparátor CMOS: 18 zařízení RTD-CMOS: 6 zařízení Aplikované nanotechnologie II

RTD-FET Nanoelektronika

49



Problémy RT zařízení nevhodné materiály většinou polovodiče III–V, dobře definovaná rozhraní multivrstev lepší je Si technika (Si/SiGe/Si) zvláště výhodné vlastnosti SiO2 pro izolaci integrace s CMOS – rok 2003

proudy v minimech jen snížení proudu na Iv 6= 0, architektura to musí tolerovat vliv hlavně pro nízké f , u vysokých nabíjení/vybíjení par. kapacit

citlivost na fluktuace vstupních proudů a napětí klasický FET citlivý není

teplotní rozmezí – většinou nízké teploty, ale i pokojové extrémní citlivost na šířku bariéry problém homogenní přípravy Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

50



Laser s kvantovou jámou (QWL) princip stejný jako u objemových laserů v kvantové jámě rekombinují díry a elektrony

snížení dimenzí vede k vylepšení některých charakteristik nízký prahový proud, úzké spektrum, vysoká char. teplota

DOS má v QW stejnou hodnotu pro všechny energie, což vede k vyšší emisi a snížení teplotní závislosti EF struktura: materiál s malou šířkou zakázaného pásu (např. GaAs, 10 nm) je obklopen dvěma vrstvami s větší šířkou (Gax Al1−x As) šířka zak. pásma souvisí s indexem lomu, rozdíl asi 10 %→ omezení vln, Fabry-Perotův rezonátor

problémy:

A B C B C BC B C B A

nedokonalé omezení záření mají také lepší využití elektronů vícenásobné kvantové jámy – faktor omezení je vynásoben n2 Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

51



Lasery VCSEL a QD povrchově emitující lasery výstupní otvor je ve směru proudu elektronů lepší výrobní výtěžek

laser s kvantovými tečkami pokračování ve snižování dimenzí kvantové tečky jako aktivní medium potřeba uniformních teček vysoké kvality

kvalita srovnatelná s plynovými lasery (QD jako umělý atom) nemají nevýhody spojené s polovod. nebo QWL lasery vylepšení např. v teplotní necitlivosti změnou velikosti QD lze laser ladit


Nanoelektronika

52



Laser s kvantovou kaskádou (QCL) unipolární lasery, elektronický „vodopád“ srovnání: běžný polovodičový laser: k emisi dochází při rekombinaci elektron–díra, tj. při přechodu mezi vodivostním a valenčním pásem QCL: uvnitř jednoho pásu se vytvoří podpásová struktura

struktura:


Nanoelektronika

53



Laser s kvantovou kaskádou (QCL) unipolární lasery, elektronický „vodopád“ srovnání: běžný polovodičový laser: k emisi dochází při rekombinaci elektron–díra, tj. při přechodu mezi vodivostním a valenčním pásem QCL: uvnitř jednoho pásu se vytvoří podpásová struktura

struktura: prokládání materiálů vytvoří periodickou strukturu (kvantové jámy) vznikne periodické elektrické pole → vznik podpásů (K-P model) modulace pravděpodobnosti obsazení elektronem vhodný návrh → inverze populace mezi dvěma sousedními podpásy nutnost depopulační hladiny

vlnová délka závisí na rozdílu energií v jámě nezávisí na materiálu, lze více λ z jednoho

v každém kroku emituje jeden foton → větší výkon Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

53



Detektory infrazáření s kvantovou jámou (QWID) detektory pro IR důležité v řadě aplikaci QW jako alternativa k HgCdTe technologii princip: taková šířka a složení, aby dvě energetické úrovně byly vzdáleny o energii detekovaného fotonu horní energie je buď v oblasti kontinua, nebo přímo pod bariérovou hladinou po přiložení napětí po ozáření přejdou elektrony na vyšší hladinu a pak buď volně odejdou, nebo protunelují vnějším polem účinnost závisí na absorpci záření, proudu vytvořeném nosiči, temném proudu a šumu.


Nanoelektronika

54



QW modulátor závislost absorpce excitony (vázaný stav elektron–díra) na velikosti pole př. abs. spektrum GaAs/AlGaAs má pro V = 0 maximum asi 990 nm, s napětím se posouvá k větším λ a klesá transverzní transmisní modulátor na kontakty se přikládá závěrné napětí MQW – 50 jam 9 nm intenzita prošlého světla je modulována napětím pro jednu vlnovou délku

Fabry-Perotův modulátor PIN dioda s MQW vnitřní oblastí uvnitř Braggových zrcadel moduluje se intenzita odraženého světla mohou být on i off

spínače – paralelně rezistor nebo fotodioda Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

55



Jednofotonová dioda rozšíření LED technologie pomocí nanoteček základem PIN dioda

v neprůhledné vrstvě je malý otvor, který odkrývá jen jednu tečku po vybuzení energetických hladin dojde k vyzáření jediného fotonu ostatní zdroje vytvářejí spíše shluky fotonů

sled proudových pulzů vede na sled fotonů při malých proudech emise na 1,394 eV, při vyšších proudech druhá čára 1,399 eV (biexcitony)


Nanoelektronika

56



Fotonové detektory z nanoteček při malé vzdálenosti či vysokém poli dochází k rezonančnímu tunelování elektrony s vyšší energií mají větší pravděpodobnost zvýšení tunelování vlivem fotogenerace elektronů

vhodná volba vzdálenosti dá tranzistorovou charakteristiku velká vzdálenost – bez ozáření netuneluje po ozáření proud vzroste

QDIC – integrované obvody z kvantových teček Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

57



Jednofotonový detektor založen na tranzistoru vrstva QD pár nm od vodivého kanálu vlastnosti kanálu jsou citlivé na změnu obsazení QD jediným elektronem foton vytvoří pár elektron–díra elektron je zachycen tečkou změní se odpor kanálu a tím i proud

výhody oproti: fotonásobičům: jednoduchá konstrukce, snadná výroba, robustní, nízké napětí, bez chlazení, vyšší účinnost lavinovým detektorům: menší vliv šumu

počítání fotonů odstraní amplitudový šum


Nanoelektronika

58



Celulární automaty soustava velmi jednoduchých buněk uspořádané do pravidelné struktury každá buňka je popsána stavem Si stav se vyvíjí podle daných pravidel jednotlivé buňky se řídí stejným pravidlem nový stav Si+1 závisí na:

CNESW S i+1

01111 01100 00110 00011 01001 10000 01110 01011 01101 00111 *****

1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0

předchozím stavu buňky předchozích stavech okolních buněk

i jednoduchá pravidla vedou k zajímavému chování např. generátor náhodných čísel

interakce jen s okolím vede na využití krátkodosahových interakcí vyžadují synchronizaci/časování citlivé na počáteční stav (přístup ke všem buňkám) Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

59



Kvantové celulární automaty (QCA) 1

0

základní princip (Notre Dame) výpočty nevyužívají proud elektronů, ale polohu čtyři (5) kvantové tečky, režim coulombovské blokády dva elektrony, vzájemně se odpuzují dva vzájemně odlišné stavy – logické stavy

drát

invertor

základní prvky: drát, invertor, rozvětvení pokročilé obvody: RS klopný obvod vyžaduje složité časování rozvětvení

S

1

R

0

Q

majoritní


Nanoelektronika

60



Programování QCA programování vstupů QCA pomocí snížení bariéry snížením napětí + −

původní stav

+ −

snížení napětí

odebrání původního vstupu

− +

přiložení nového vstupu

− +

zvýšení napětí

problémy chyba 10 nm u buňky velké 100 nm znemožní činnost omezení teploty – slabost dipolové interakce Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

61


Kvantová elektronika Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika

Základy SE zařízení využití Coulombovy blokády průchod/udržení po jednom elektronu jednoelektronový tranzistor struktura velmi podobná MOSFETu proud protéká jen tehdy, je-li počet elektronů v ostrůvku polovinový proud osciluje v závislosti na Ug

Ug Ud Gate Source

Island

Drain

SET Ug Ud Gate Source

Channel

Drain

MOSFET

příprava – šikmá depozice Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

62



CMOS kompatibilní realizace problémem SE je hromadná realizace (vysoká přesnost) technika kompatibilní s CMOS výrobou využívá vertikální strukturu litografická definice drainu RIE leptání vrstvy drain, oxidu a části source vytvoření SAM APTESu ponoření do roztoku s Au nanočásticemi, jejich uchycení na stěnách

výhody: tloušťka filmu velmi přesná vrstvy jsou zarovnané částice tvoří ostrůvky, jsou uchycené na stěnách, tj. nezáleží na laterálních rozměrech Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

63



Logické aplikace SET invertor dva sériově zapojené SET

vícehradlé SET jeden ostrůvek ovliňuje několik hradel ID může být v nízkém nebo vysokém stavu např. pro realizaci XOR – sudý počet hradel v log. 1 → ID nízké Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

64



Vícehodnotové aplikace SET

paměťový prvek uchovává počet elektronů výstupní napětí je multistabilní

jednoelektronový kvantizátor


Nanoelektronika

65



AD převodník se SET


Nanoelektronika

66



Ostrůvek

Další SE zařízení jednoelektronový oscilátor fSE = eI , Rs R RQ obtížná praktická realizace (rezistor)

R

Tunelový přechod (C,R)

standard stejnosměrného proudu využití fázového závěsu mezi SE oscilátorem a přesným rf zdrojem při průchodu m elektronů za jednu periodu je I = mef velmi malý proud (pA) možnost realizace standardů odporu a teploty

problém realizace SED požadavek E > 100kB T vyžaduje velmi malé rozměry (sub-nm pro RT) vliv náhodného náboje na pozadí


Nanoelektronika

67


Jednoelektronová zařízení Supravodivá elektronika Další systémy

Supravodivá elektronika výhody supravodivých prvků: přenosové linky nejsou disperzní – i krátké 1ps pulzy projdou bez zkreslení spínací časy až 1 ps, tj. vysoké frekvence velmi malý disipovaný výkon

nevýhody: obtížnější konstrukce a miniaturizace nízké teploty

stará konstrukce: přechod mezi supravodivým a normálním stavem nemá praktické využití (omezená rychlost tepelného přechodu) logická zařízení – cryotron

nové aplikace využívají kvantum magnetického toku celulární automaty – jako QCA, místo elektronů kvanta Φ0 Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

68



Logika s jedním kvantem magnetického toku (SFQ) využívají Josephsonova přechodu a rezistoru

IB

I je-li Iin = 0, prochází pouze IB < IC systém je v supravodivém stavu, logický stav 0 zvýšení Iin vede k Iin + IB > IC přechází do normálního stavu, logický stav 1 po odeznění Iin se vrátí do stavu blízkého logické 0, úplně přejde až po vypnutí IB

in

I

1 IC IB 0 UC U UC

to omezuje rychlost spínání

krátký vstupní impulz → nutné jediné kvantum magnetického toku Φ0 =

t

h = 2,07 · 10−15 Wb 2e

informace je kódována napětím Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

69



Rapid Single Flux Devices (RSFQ) využívají dynamického chování informaci kóduje přítomnost nebo nepřítomnost Φ0 Josephsonův přechod je zkratován natolik, že nemá hysterezi využívají se dva přechody místo vodivého spojení je vložena cívka

IB Iin

díky cívce má druhý přechod časové zpoždění zabraňuje úplnému přepnutí prvního přechodu po odeznění impulzu se vrátí do původního stavu

U UC

Φ0

trvale supravodivý stav → velmi rychlé při vhodných rozměrech právě jedno Φ0 zpracovávají se napěťové pulzy

t

technologie: výchozí materiál Nb (4–6 K) nebo vysokoteplotní YBaCuO (40–77 K) izolační vrstvy z SiO nebo SiO2 izolace Josephsonova přechodu z Al2 O3 taktovací frekvence až 900 GHz Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

70



RSFQ hradlo složeno ze tří modulů: buffer – přenáší krátké pulzy uchování informace – obsahuje proudovou smyčku pro uchování informace rozhodovací obvod: chrání vnitřek obvodu před signály na výstupu rozhoduje o přenosu impulzu směrem ven

logická úroveň 1 – přítomnost impulzu během taktovacího cyklu Hodiny


Nanoelektronika

71



Nanopiezoelektronika nanogenerátor: ZnO NW na α-Al2 O3 , vodivý AFM hrot, RL = 500 MΩ, kontaktní skenování

nanopiezotranzistor: nanodrát mezi dvěma elektrodami, mechanické namáhání mění elektrické vlastnosti – senzor síly


Nanoelektronika

72



Moderní paměti již dříve uvedené: pomocí technologií RTD, SET, RSFQ, molekulární

feroelektrické paměti (FeRAM) využívají hystereze u feroelektrických materiálů

magnetické paměti (MRAM) využívají magnetorezistanci, celá řada principů: anizotropní, GMR, spinová chlopeň, magnetické tunelovací přechody, Hallův jev

zdokonalení současných principů integrace nanoteček, SET apod.

další technologie polymerové chalkogenidové (S, Se, Te) nanotrubičkové lze i jako mikromechanické

fotonické Aplikované nanotechnologie II

Nanoelektronika

73

Mikroelektromechanické systémy Nanoelektromechanické systémy Molekulární stroje

Úvod Materiály a technologie MEMS senzory

Mikroelektromechanické systémy definice MEMS/MST miniaturní rozměry většina zařízení do stovek µm, tloušťky do desítek

integrovaná konstrukce přeměna jednoho typu energie na druhý obecněji: alespoň část cesty musí být neelektrická

většinou vyžadována mechanická energie pohybové členy, mikrosenzory volnost definice mech. pohybu: rms senzory

technologie tvorba malých rozměrů s velkou přesností, volnost návrhu (složitější než IO) rozhraní s mikroelektronikou velká výtěžnost, nízká cena, spolehlivost Aplikované nanotechnologie II

MEMS, NEMS a molekulární stroje

74



Mikroelektromechanické systémy definice MEMS/MST miniaturní rozměry

MEMS je hromadně vyrobený integrovaný mikroskopický systém, který: většina zařízení do stovek µm, tloušťky do desítek

integrovaná konstrukce převádí fyzikální podněty, události a parametry na elektrické, přeměna jednoho typu energie na druhý optické a mechanické signály a opačně; alespoň část cesty musí býtfunkci; neelektrická vytváří obecněji: pohyb, snímá nebo vykonává jinou zahrnujevyžadována řízení, diagnostiku, zpracování signálů a sběr dat většinou mechanická energie a zároveň jsou mikroskopické vlastnosti elektromechanických, elektronicpohybové členy, mikrosenzory kých, optických a biologických složek, architektur a operačních principů volnost definice mech. pohybu: rms senzory základem funkce, návrhu, analýzy a výroby MEMS.

technologie tvorba malých rozměrů s velkou přesností, volnost návrhu (složitější než IO) rozhraní s mikroelektronikou velká výtěžnost, nízká cena, spolehlivost Aplikované nanotechnologie II


74



Integrace s elektronikou dvě možné cesty MEMS je na samostatném čipu snadná a levná výměna

MEMS je integrován s elektronikou

CMOS poslední

vyžaduje CMOS kompatibilní proces spojená technologie CMOS první CMOS poslední: vytvoření ostrůvků, MEMS, ochranná pasivace, vytvoření roviny, CMOS vzájemné propojení, odleptání pasivace vyšší počáteční náklady jediná možnost při náročných požadavcích

zapouzdření složitější než u IO, každý MEMS vyžaduje něco jiného potřebujeme interakci s okolním světem pouzdro zvyšuje rozměry a může zhoršit výkonnost Aplikované nanotechnologie II


75



Základní vlastnosti MEMS pracují se signály 1

mechanickými (zahrnuje i gravitační působení) poloha, orientace, náklon, rychlost, topografie, deformace, mech. napětí, hustota, hmotnost lokalizované síly a momenty, setrvačné síly, rozložené síly (tlak)

2

elektrickými napětí, proud, výkon, kapacita, permitivita, odpor, frekvence, fázový posuv, spektrální složení

3

tepelnými

4

magnetickými

5

radiačními (včetně částic)

teplota, entropie, tepelná kapacita, tepelný tok, tepelný odpor magnetická intenzita a indukce, magnetizace, permeabilita hustota a tok zářivé elektromagnetické energie, polarizace, koherence, spektrální složení, odrazivost 6

chemickými koncentrace, složení, pH, reakční rychlosti, rovnovážné konstanty Aplikované nanotechnologie II


76



Převodní principy mezi oblastmi Mechanická Elektrická

Tepelná

Mechanická elastická a plastická deformace, zlom elektrostatická síla, piezoelektrické napětí, Lorentzova síla

tepelná roztažnost, volná konvekce

Elektrická pizeoelektřina

Tepelná kontaktní a termoelastické tření odporová disipace tepla, Peltierův jev, Thomsonův jev

Ohmův zákon, pn přechod, feroelektrické jevy, piezorezistance, tunelový jev, Hallův jev, magnetotranzistorový jev, fotovodivost, fototranzistorový jev Seebeckův jev, tepelná vodivost, Nernstův jev Thomsonův jev

celá matice má rozměr 6 × 6 mnohem více jevů



77



Napájení MEMS zajímavé zvláště u autonomních systémů různé způsoby dodávání energie: lokální uložení – elektrická (kondenzátor, supravodivé smyčky) nebo elektrochemická (baterie) energie; problém s velikostí palivové články přenos optické a elektromagnetické energie – laser a fotodioda, radiofrekvenční záření a antény (RFID) získávání energie z prostředí vibrační energie – např. piezoelektricky teplená energie – termoelektrické jevy jaderná energie – rozpad, např. β: elektron nabije hrot ohebného nosníku ten se elektrostaticky přitáhne k podložce dojde k neutralizaci nosník odskočí a zakmitá → piezoelektrický snímač Aplikované nanotechnologie II


78



Materiály

dva „typy“ materiálů objemové krystaly (bulk) dobře známé tabulkové parametry snadná charakterizace

tenké vrstvy každá vrstva je unikát různé vlastnosti podle způsobu a podmínek přípravy obtížné zjišťování vlastností např. Youngův modul – velmi tenká vrstva je ovlivněna podložkou odebrání od podložky ovlivní rozložení napětí



79



Křemík monokrystalický Si výborné mechanické vlastnosti, E srovnatelné s ocelí; membrány apod. propracovaný technologický proces přípravy Si a struktur na něm

polykrystalický Si jako strukturální materiál pro povrchové zpracování depozice pomocí LPCVD, lze dopovat (přítomnost B2 H6 či PH3 ) zbytkové pnutí, žíhání, multivrstvy s tahovým a tlakovým napětím

porézní Si elektrochemickým leptáním Si v HF aktivní adsorpční a obětované vrstvy

oxid křemičitý SiO2 používá se jako leptací maska i jako obětovaná vrstva krystalická forma – křemen (piezoelektrický)

nitrid křemíku Ni3 Si4 pro elektrickou izolaci, pasivaci a mechanický materiál PECVD – leptatelný v HF, LPCVD – chemicky odolný, tahové napětí Aplikované nanotechnologie II


80



Křemík a kovy polykrystalické Ge mechanické vlastnosti srovnatelné s poly-Si lze tvořit Ge membrány na Si, nelze nanést na SiO2

polykrystalický SiGe nižší teploty pro depozici než poly-Si dopovatelné lze nanést na SiO2 leptání v H2 O2 : poly-SiGe odolné, poly-Ge není

kovové materiály kovové filmy pro tvorbu elektrod nejčastěji Al a Au, i pro propojení kovové slitiny s tvarovou pamětí, TiNi pro magnetické aplikace, NiFe, Ni začínají se používat i složitější slitiny Aplikované nanotechnologie II


81



Speciální materiály polovodiče do drsných podmínek SiC polymorfní materiál, šířka zakázaného pásu od 2,3 eV Youngův modul dva- až třikrát větší než Si netaje, ale sublimuje nad 1 800 ◦ C lze ho deponovat na velké množství povrchů mnoha způsoby obtížné objemové zpracování – chemicky inertní leptací proces závisí na vodivosti, lze měnit implantací omezení geometrické složitosti lze vytvářet i sintrováním SiC prášku

diamant velmi tvrdý, vhodný pro aplikace s otěrem samotný je izolant, lze dopovat B na typ p velmi vysoký Youngův modul – vf aplikace polykrystalické nebo amorfní formy Aplikované nanotechnologie II


82



Speciální materiály feroelektrické materiály pro využití piezoelektrického jevu PZT (Pb(Zrx Ti1−x )O3 ) lze nanést na jiné vrstvy (membrány apod.) tvarování suchým leptáním s Cl2 /CCl4 nebo iontovým svazkem příprava naprašování, CVD, sol-gel, tlusté filmy lze tisknout

polymery polyimidy pro ohebné součásti (membrány) obětované vrstvy biokompatibilita – využití jako podložka pro implantovaná zařízení

parylen biokompatibilní příprava CVD při RT i na předchozích strukturách



83



Technologie přípravy MEMS tvorba volných struktur využití obětované vrstvy vytvoření upevňovacího otvoru nanesení materiálu odleptání obětované vrstvy při velkých plochách pomocné otvory

objemové zpracování proleptání ze spodní části



84



LIGA Lithografie–Galvanik–Abformung rtg fotolitografie větší hloubka ostrosti

anizotropní lepání galvanický růst formování

výška 50 µm, průměr 380 µm

vlastnosti: výška až cm laterální rozlišení až 200 nm poměr výšky k šířce až 500 drsnost stěn pod 20 nm



85


Materiály a technologie MEMS senzory Aplikace MEMS

MEMS senzory

základní myšlenka: některý parametr okolí je schopen změnit mechanické charakteristiky převodníku tak, že je lze detekovat elektronicky, opticky nebo jinak měření: ohnutí rezonanční frekvence tlumení



86



Tlakové senzory využívají mechanizmy piezoelektrické, piezorezistivní, kapacitní a rezonanční piezorezistivní senzor čtyři piezorezistory na stranách membrány membrána jako mechanický zesilovač rozsahy 10−5 –108 Pa jednoduché na výrobu závislost na teplotě spotřeba energie omezení rozlišení: dlouhodobý drift tepelný šum rezistoru



87



Tlakové senzory kapacitní senzory nemají nevýhody předchozích Si membrána se prohýbá vlivem tlaku nelineární charakteristika omezený dynamický rozsah lze omezit použitím zpětné vazby (další elektroda nad membránou) kapacitní senzor s dotykem nad určitou mezí je lineární



88



Tlakové senzory kapacitní senzory nemají nevýhody předchozích Si membrána se prohýbá vlivem tlaku nelineární charakteristika omezený dynamický rozsah lze omezit použitím zpětné vazby (další elektroda nad membránou) kapacitní senzor s dotykem nad určitou mezí je lineární



88



Akcelerometry

měří zrychlení hromadná aplikace – automobilový průmysl další aplikace – řízení stability, navigace základní princip hmotné těleso na pružném závěsu detekuje se jeho pohyb vzhledem k pevnému rámu

různé možnosti detekce piezorezistivní detekce vzniklého napětí kapacitní detekce pohybu



89



Kapacitní akcelerometr vertikální kapacitní akcelerometr těleso tvoří jednu elektrodu druhá je pod ním detekuje zrychlení kolmo k podložce otvory pro usnadnění leptání problémy s Brownovým pohybem



90



Kapacitní akcelerometr laterální kapacitní akcelerometr hřebenová struktura elektrod jedna skupina je pevná druhá se pohybuje podél podložky



91



Činnost kapacitního akcelerometru x C1 = ε x1S+x , C2 = ε x1S−x , ∆C = C1 − C2 = 2εS x2 −x 2 1

z kvadratické rovnice

∆Cx2

pro malé x přibližně x ≈

− 2εSx −

∆Cx21

= 0 určíme posunutí x

x21 ∆C − 2εS

ideální pružina splňuje vztah F = kx z druhého Newtonova zákona je ma = kx, takže a=

kx21 k x=− ∆C m 2mεS

v případě reálné pružiny a =

1 m


x21 k1 x + k2 x2 + k3 x3 , x = − 2εS ∆C


92



Akcelometry ADXL ADXL202, x1 = 1,3 µm – dvouosý akcelerometr ±2g struktura se rozkmitává, zrychlení způsobí rozvážení výstupem je střída, pro a = 0 je s = 50 %

ADXL335 – trojosý akcelerometr ±3g Aplikované nanotechnologie II


93



Gyroskopy měří úhlové zrychlení aplikace pro měření natáčení, stabilitu, virtuální realitu apod. využívají Coriolisovo zrychlení ~ je FC = Ω ~ × ~v při úhlové rychlosti Ω vyžaduje dva kolmé pohyby kmitání v jednom horizontálním směru s konstantní amplitudou (elektrostatické buzení) otočení podél vertikální osy vyvolá C. sílu a dojde k pohybu struktury v kolmém směru

max. rychlost kmitání → max. síla: rezonanční buzení posuv se projeví změnou kapacity detekce s ohledem na rezonanční frekvenci v druhém směru



94



Gyroskopy duální gyroskopy sleduje rotaci ve dvou úhlech využívají rotující disk na 4 závěsech: závěsy uvádějí disk do rezonančního kmitání při pohybu má tvar vibračního módu tendenci zůstat stálý v prostoru vzniká prohyb kolmo k disku pod diskem je elektroda kapacitní detekce prohnutí



95



Senzor ADIS1636x

senzory 6 stupňů volnosti trojosý akcelerometr ±17g trojosý gyroskop

teplotní senzor pro kompenzaci rozměry – kostka 23 mm digitální výstup, 14 bitů



96



Chemický MEMS senzor vytváření povrchových akustických vln (SAW) piezoelektrická vrstva prokládané elektrody jako generátor i senzor mechanických vln frekvence dána roztečí elektrod, 100–500 MHz

šíření vln je povrchové citlivost na povrchové modifikace polymerní absorbující vrstva absorbce se projeví změnou frekvence ∆f ∼ ∆c



97


MEMS senzory Aplikace MEMS Mikronosník

Optické MEMS současné optické systémy velké, objemové materiály drahá výroba (kusová, přesnost) vysoká spotřeba

výhody z použití MEMS Digital Micromirror Device (DMD) uvedl Texas Instruments pro využití v projektorech i jiné aplikace – např. 11b optický zeslabovač

lepší rozlišení, jas, kontrast než klasická obrazovka pole malých zrcadel každé zrcadlo se může nezávisle natáčet



98



DMD pod zrcadlem jsou dvě elektrody a paměťová buňka vlivem el. síly se zrcadlo natáčí o ±10◦ světlo z „on“ zrcadel prochází projekční čočkou světlo z „off“ zrcadel je odchýleno a absorbováno poměr dob on/off určuje stupně šedi barevné filtry dodávají barvu

konstrukce vrchní Al zrcadlo (3 vrstvy) ostatní prvky ukryty (difrakce) CMOS kompatibilní

nevýhody zrcadlo se může přilepit energetické ztráty u „off“ zrcadel Aplikované nanotechnologie II


99



Grating Light Valve

konkurent DMD, využívá difrakce rovné vodivé vysoce odrazivé pásky v klidovém stavu všechny pásky rovné – zrcadlo napětím se některé prohnou, vzniká difrakční mřížka



100



Optické platformy pro aplikace je třeba optoelektronických prvků nutnost precizního zarovnání (centrování) možnost přesného hýbání s prvky Mikroreflektor odrazné zrcadlo je táhly připojeno na dva lineární motory současný pohyb obou táhel zrcadlo zvedá rozdílný pohyb jej natáčí umožňuje směrování dopadajícího svazku navázání laseru do vlákna aplikace externích dutin



101



Spínání optických dat komunikace přes optická vlákna vyžaduje možnost přepínání většinou pomocí opticko-elektronicko-optických přepínačů převedou světlo na elektrický signál, ten se přepíná a pak převádí zpět na optický mezikrok zavádí zpoždění, energetickou náročnost a složitost je žádoucí spínání bez přerušení optické cesty

MEMS umožňuje spínání polem zrcadel vstupní svazek lze aktivací příslušného zrcadla přesměrovat do výstupního vlákna realizace až 64 × 64 matice pohyb zrcadla je omezen dvěma zarážkami řízen digitálně není třeba přesného řízení Aplikované nanotechnologie II


102



Spínání optických dat realizace 2 × 2 vertikální torzní zrcadlo poly-Si s Au vrstvou torzně uchyceno ve vertikální rámu vertikální zadní elektroda přiložení napětí přitáhne zrcadlo, světlo prochází

magnetické zrcadlo změna polohy magnetickým polem spíše globální změna



103



Sofistikované přepínače lze realizovat i 3D spínání 2D pole zrcadel analogové zpětnovazebné řízení zrcadel libovolný vstup lze přepnout na libovolný výstup mírně odlišné optické dráhy potřeba kvalitních zrcadel



104



Další optické MEMS vlnové multiplexery světlo dopadá na mřížku difraktovaný svazek se fokuzuje na zrcátko dvě průchozí cesty

dynamické spektrální ekvalizéry antireflexní přepínač vrstva nitridu tlustá 14 λ vzduchová mezera 43 λ odraznost 70 % po přiložení napětí a průhybu vrstvy klesne tloušťka mezery na λ/2 odraznost ∼ 0 % Aplikované nanotechnologie II


105



Výroba zvedlých ploch a využití využití mikropantu polarizační dělič svazku 1 2

Fresnelova difrakční čočka tenký film dělí TE a TM módy (dopad pod Brewsterovým úhlem)



106



Mechanické ladění a modulace mechanicky laditelný laser změna vzdálenosti volí λ změna 31 nm kolem 935 nm

modulace fáze mezera < λ, dochází k penetraci evan. pole mění se efektivní n a tím fáze

změna optické mřížky



107



Multiplexor a analyzátor

vlnový demultiplexor princip Fabry-Perot λ(V) = 2[nt + h − 3V 2 L4 /(h + t/n2 )] integrace s detektory rozsah 700–1 000 nm při 0–10 V

spektrální analyzátor tlak záření ohýbá nosník pole nosníků, mřížka rozloží



108



Radiofrekvenční MEMS aplikace pro bezdrátovou komunikaci přijímače, vysílače, opakovače

současné konstrukce využívají mnoho neintegrovaných prvků MEMS umožní integraci na jediném čipu Proměnné kondenzátory proměnné kapacity pomocí PN přechodů a MOS nízké Q, omezený ladicí rozsah, nelineární

MEMS kapacitory změna pomocí změny: vzdálenosti desek Al deska 200 × 200 × 1 µm3 , mezera 1,5 µm Al má nízké ρ, proto lze dosáhnout vysoké Q na vf přiložení napětí přiblíží desku k podložce

překrytí desek překrytí dielektrika Aplikované nanotechnologie II


109



Mikroinduktory běžné spirály na ploše desky mají nízké Q při vf vliv ztrát v podložce a rezistivity kovů při vf

MEMS realizace: 3D induktor měděné pásky na izolujícím tělísku z Al2 O3 minimalizuje se plocha, která je blízko podložky 14 nH a Q = 16 při 1 GHz

levitující induktor vytvořen z Cu, podpírán sloupky 14 nH, Q = 38 při 1,8 GHz

svinutý induktor sbalí se „sám“ vrstva pásků má vnitřní pnutí pásky se vzájemně protknou vrstva Cu pro lepší vodivost Aplikované nanotechnologie II


110



MEMS spínače kapacitní vodivá membrána podepřená sloupkem na spodní elektrodě izolační vrstva ve výchozím stavu je kapacita malá slabá vazba mezi elektrodami

po přiložení velkého DC napětí se membrána přitáhne kapacita je velká (malá tloušťka dielektrika) silná vazba mezi elektrodami

velmi malá spotřeba energie vyhovuje pro RF, nevhodné pro DC

kovové jednostranně upevněný nosník s kontaktem na vnitřní části pomocná elektroda po přiložení pomocného napětí dojde k sepnutí doba odezvy 20 µs Aplikované nanotechnologie II


111



MEMS rezonátory hřebenové rezonátory elektricky je lze uvést do mechanické rezonance to se projeví změnou kapacity výstupní proud má frekvenci mech. rezonance

páskový filtr dva rezonující pásky spojené pružinou prostřední elektroda indukuje vibrace

diskový rezonátor poly-Si disk podepřený ve středu elektrody kruhově obklopují disk přivede se DC napětí a AC signál proměnné pole vyvolá radiálně působící sílu při shodě frekvencí periodická změna průměru výstupní střídavý proud malé ztráty díky upevnění Aplikované nanotechnologie II


112


Aplikace MEMS Mikronosník MEMS pohybové členy

Mikronosník nejjednodušší MEMS/NEMS tvořen jednostranně/oboustranně upnutým páskem obdélníkový průřez

charakteristické vlastnosti rezonanční frekvence f0 činitel jakosti Q

w

závisí na geometrii (L, w, d) a materiálech (E) pro dynamické aplikace L

pro statické aplikace tuhost k

široký rozsah velikostí senzor nebo pohybový člen základ mnoha měřicích metod (AFM) způsob přípravy vliv pnutí

analýza vibračního stavu pomocí Euler-Bernoulliho rovnice Aplikované nanotechnologie II


113



Odvození vlastních frekvencí Předpokládejme homogenní, přímý a nezkroucený nosník s konstantním průřezem. Je-li tloušťka d a šířka w nosníku mnohem menší než jeho délka L, dá se problém zjednodušit na jednorozměrný. Proto lze zanedbat i napětí σx a σy . Dále budeme předpokládat jen malé ohnutí. Poslední složku napětí lze napsat jakoRσz = kx, kde k je konstanta a poloha x = 0 je ve středu nosníku. Nepůsobí-li na nosník vnější podněty, musí být celková vnitřní síla nulová, tj. Fint = S σz d S = 0. Bez momentu je celkový ohybový moment roven momentu vyvolanému vlivem vnitřních sil R působení externího R a má pouze složku y, tj. M = My = S xσz d S = k S x2 d S. Poslední integrál závisí na průřezu nosníku a označuje se jako moment setrvačnosti Iy . M x

M x

Z poslední rovnice vyjádříme k a dosadíme do vztahu pro napětí σz = Iyy . Dále použijeme Hookův zákon a píšeme εz = σEz = EIyy . V dalším kroku musíme najít souvislost mezi napětím a posunutím ux (z, t) nosníku. Není-li ohnutí příliš velké, je jeho druhá derivace přibližně rovna křivosti, tj.

∂ 2 ux (z,t) ∂z2

= 1r . Prodloužení ε lze určit z předpokladu kruhového ohnutí, ε = 2

d L−d L0 d L0

=

(r−x) d θ−r d θ rdθ

= − xr . Po dosazení do předchozích

. Protože na nosník nepůsobí žádné externí síly ani momenty, použitím Newtonova rovnic získáme Euler-Bernoulliho rovnici My = −EIy ∂ u∂zx (z,t) 2 2 P P P x zákona dostaneme m ∂ u∂tx (z,t) = Fint a dále Mint = 0. Využijeme-li malých rozměrů nosníku, lze pro součet sil psát Fint = Fx + 21 ∂F dz − 2 dz ∂zd z P ∂Fx 1 ∂My 1 ∂My 1 ∂Fx 1 ∂Fx x Fx − 21 ∂F z = z. Obdobně pro momenty platí M = M + z − M − z + F + z − F − z − = 0, d d d d d d int y y x x ∂z ∂z 2 partialz 2 ∂z 2 ∂z 2 2 ∂z 2 2

∂M

∂2M

= − ∂z2 y . Jednoduchou úpravou získáme což vede k Fx = − ∂zy . Rozepsáním hmotnosti nosníku pomocí hustoty ρ a objemu získáme rovnici ρS ∂ u∂tx (z,t) 2 výslednou rovnici ∂ 2 ux (z, t) ∂ 4 ux (z, t) ρS + EIy = 0. ∂t2 ∂z4 Uvedenou rovnici 4. řádu lze řešit metodou separace proměnných. V mnoha případech nám však stačí znát jen vlastní frekvence. Předpokládáme tedy 4

oscilaci nosníku s frekvencí ω a rovnici fourierovsky transformujeme do tvaru ρS(iω)2 Ux (z, ω) + EIy d Udxz(z,ω) = 0. To můžeme dále upravit do tvaru 4 q 4 √ √ ρS = 0, kde α = 4 EI . Řešení této obyčejné diferenciální rovnice lze hledat ve tvaru Ux (z, ω) = B1 sin(αz ω) + B2 cos(αz ω) + −α4 ω 2 Ux (z, ω) + d Udxz(z,ω) 4 y √ √ B3 sinh(αz ω) + B4 cosh(αz ω). Konkrétní podmínky na možné rezonanční frekvence získáme aplikací okrajových podmínek. Výše uvedené odvození platí pro nosník jednostranně i oboustranně upnutý. Uvažujeme-li dále už jen jednostranně upnutý nosník, máme vždy dvě podmínky na obou koncích: v místě upnutí x = 0 2 U (L,ω) x = 0) i moment d2 z Ux (L,ω) = 0). Určením první, druhé a třetí derivace a dosazením okrajových podmínek získáme jednak vztah mezi koeficienty Bi , ale také podmínku d3 z √ √ √ √ 2+2 cos(αL ω) cosh(αL ω) √ √ = 0, která má netriviální řešení pouze pro frekvence, které jsou kořenem rovnice cos(αL ω) cosh(αL ω) = −1 . Uvedená sin(αL ω)−sinh(αL ω) √

musí být nulová výchylka (Ux (0, ω) = 0) i sklon nosníku ( d Udx (0,ω) = 0), na konci nosníku x = L musí být nulová síla ( d z (d

3

rovnice nemá p analytické řešení, kořeny lze určit pouze numericky, zpravidla po substituci β = αL ω. Vlastní frekvence určíme zpětně ze vztahu ωi = βi2 /L2 EIy /(ρS).



114



Odvození vlastních frekvencí Předpokládejme homogenní, přímý a nezkroucený nosník s konstantním průřezem. Je-li tloušťka d a šířka w nosníku mnohem menší než jeho délka L, dá se problém zjednodušit na jednorozměrný. Proto lze zanedbat i napětí σx a σy . Dále budeme předpokládat jen malé ohnutí. Poslední složku napětí lze napsat jakoRσz = kx, kde k je konstanta a poloha x = 0 je ve středu nosníku. Nepůsobí-li na nosník vnější podněty, musí být celková vnitřní síla nulová, tj. Fint = S σz d S = 0. Bez momentu je celkový ohybový moment roven momentu vyvolanému vlivem vnitřních sil R působení externího R a má pouze složku y, tj. M = My = S xσz d S = k S x2 d S. Poslední integrál závisí na průřezu nosníku a označuje se jako moment setrvačnosti Iy . M x

M x

Z poslední rovnice vyjádříme k a dosadíme do vztahu pro napětí σz = Iyy . Dále použijeme Hookův zákon a píšeme εz = σEz = EIyy . V dalším kroku musíme najít souvislost mezi napětím a posunutím ux (z, t) nosníku. Není-li ohnutí příliš velké, je jeho druhá derivace přibližně rovna křivosti, tj.

∂ 2 ux (z,t) ∂z2

= 1r . Prodloužení ε lze určit z předpokladu kruhového ohnutí, ε = 2

d L−d L0 d L0

=

(r−x) d θ−r d θ rdθ

= − xr . Po dosazení do předchozích

. Protože na nosník nepůsobí žádné externí síly ani momenty, použitím Newtonova rovnic získáme Euler-Bernoulliho rovnici My = −EIy ∂ u∂zx (z,t) 2 2 P P P x zákona dostaneme m ∂ u∂tx (z,t) = Fint a dále Mint = 0. Využijeme-li malých rozměrů nosníku, lze pro součet sil psát Fint = Fx + 21 ∂F dz − 2 dz ∂zd z P ∂Fx 1 ∂My 1 ∂My 1 ∂Fx 1 ∂Fx x Fx − 21 ∂F z = z. Obdobně pro momenty platí M = M + z − M − z + F + z − F − z − = 0, d d d d d d int y y x x ∂z ∂z 2 partialz 2 ∂z 2 ∂z 2 2 ∂z 2 ∂2M

2

∂M

= − ∂z2 y . Jednoduchou úpravou získáme což vede k Fx = − ∂zy . Rozepsáním hmotnosti nosníku pomocí hustoty ρ a objemu získáme rovnici ρS ∂ u∂tx (z,t) 2 výslednou rovnici ∂ 2 ux (z, t) ∂ 4 ux (z, t) ρS + EIy = 0. ∂t2 ∂z4 Uvedenou rovnici 4. řádu lze řešit metodou separace proměnných. V mnoha případech nám však stačí znát jen vlastní frekvence. Předpokládáme tedy β

=

αL √ ω

nosník upnutý jednostranně oboustranně d U (z,ω) oscilaci nosníku s frekvencí ω a rovnici fourierovsky transformujeme do tvaru ρS(iω)2 Ux (z, ω) + EIy d z = 0. To můžeme dále upravit do tvaru q √ √ β 3,516 22,373 ρS . Řešení této obyčejné diferenciální rovnice lze hledat ve tvaru Ux (z, ω) = B1 sin(αz ω) + B2 cos(αz ω) + −α4 ω 2 Ux (z, ω) + d Ud z(z,ω) = 0, kde α = 1EI √ √ β2 22,034 61,678 B3 sinh(αz ω) + B4 cosh(αz ω). Konkrétní podmínky na možné rezonanční frekvence získáme aplikací okrajových podmínek. Výše uvedené odvození platí pro nosník jednostranně β3už jen jednostranně 61,701 120,903 i oboustranně upnutý. Uvažujeme-li dále upnutý nosník, máme vždy dvě podmínky na obou koncích: v místě upnutí x = 0 musí být nulová výchylka (Ux (0, ω) =β 0) i sklon nosníku ( d Ud(0,ω) = 0), na konci nosníku x = L musí být nulová síla ( d Ud (L,ω) = 0) i moment 120,912 199,860 z z 4 ( d Ud (L,ω) = 0). Určením první, druhé a třetí derivace a dosazením okrajových podmínek získáme jednak vztah mezi koeficienty Bi , ale také podmínku z √ √ β5 199,855 298,526 √ √ 2+2 cos(αL ω) cosh(αL ω) √ √ = 0, která má netriviální řešení pouze pro frekvence, které jsou kořenem rovnice cos(αL ω) cosh(αL ω) = −1 . Uvedená 4

x

4

4

x

4

4

y

2

x

3

x 2

x 3

sin(αL ω)−sinh(αL ω) √ rovnice nemá p analytické řešení, kořeny lze určit pouze numericky, zpravidla po substituci β = αL ω. Vlastní frekvence určíme zpětně ze vztahu ωi = βi2 /L2 EIy /(ρS).



114



Analýza nosníku posouzení předchozího postupu zahrnuje pouze lineární efekty několik aproximací (křivost, jednorozměrnost atd.) platnost mechaniky kontinua při malých rozměrech platný pro libovolný konstantní průřez obdélníkový – Iy = kruhový – Iy =

πd4 64

w = 50 nm

wd3 12

rozdíl mezi jedno- a oboustranně upnutým nosníkem je pouze v β

lineární model pohyb konce nosníku lze popsat rovnicí mef ¨ x + kef x = F(t) efektivní hodnoty mef = ρSL, kef = lorentzovská frekvenční křivka Aplikované nanotechnologie II

βi2 EIy L3


115



Zobecnění modelu nosníku některá rozšíření coulombovské tlumení (úměrné výchylce) ˆ =E 1+i komplexní modul pružnosti E

1 Qc

viskozní tření (úměrné rychlosti): v lineárním modelu Fvis = v případě vysokých Q platí

1 Qtot

=

1 Qc

+

mω Qv

1 Qv

nelineární efekt: protažení nosníku při velkých výchylkách se musí nosník prodloužit síla je úměrná výchylce deformace lorentzovské frekvenční křivky bistabilita

vliv buzení – síla F závisí na poloze upevnění – v místě upevnění může být jiný než požadovaný tvar (zaoblení) Aplikované nanotechnologie II


116



Disipativní procesy atmosférické tlumení se projevuje silou Fat = (γ1 + iγ2 )u˙ x první složka ovlivní činitel kvality druhá způsobuje frekvenční posuv v případě nízkých tlaků je zanedbatelná

vliv upevnění upevnění není dokonale rigidní dochází k přenosu energie nepřímo závisí na třecí síle v místě styku

rozptyl fonon–fonon vlnová délka kmitů musí být střední volná dráha fononů interagují „oscilační“ fonony a „tepelné“ fonony

rozptyl fonon–elektron v polovodiči vyvolá namáhání modulaci pásové struktury periodické přechody elektronů mezi pásy vedou ke ztrátě energie

povrchové efekty vliv povrchové vrstvy oxidu (mechanické napětí) Aplikované nanotechnologie II


117



Disipativní procesy relaxace napětí dochází k přechodu mezi dvěma lokálně stabilními stavy jeden stav je stabilní bez namáhání, druhý pod napětím přechod je spojen se ztrátou energie pohyb bodových defektů bodový defekt vytváří lokální nestejnoměrnou distribuci napětí je-li symetrie defektu menší než mříže, vzniká elastický dipól dipól interaguje s homogením vnějším napětím dojde-li vlivem interakce k překonání aktivační bariéry, defekty se přeskupí

pohyb dislokací dislokace jako smyčka upevněná v jednom bodě kmitání smyčky vlivem externího napětí vede ke disipaci

pohyb hranic zrn při periodickém napětí hrany zrn po sobě kloužou

u krystalických, dobře definovaných „součástek“ problémy nebývají problémy vzniknou vlivem zpracování Aplikované nanotechnologie II


118



Snímání pohybu nosníku optická detekce vyžaduje vysokou odrazivost pokovení může vést k parazitním jevům

rozliší až 10−14 m nevyžaduje kontakty, jednoduché, lineární problém s narušením optické dráhy (průhlednost, víry, index lomu)

piezorezistivní detekce Si s vhodně tvarovanou dopovanou vrstvou nebo ZnO nevhodné pro pomalé změny vyžaduje přívody

kapacitní detekce parazitní vliv změny ε výhodná integrace s CMOS

tunelování elektronů princip STM Aplikované nanotechnologie II


119


Mikronosník MEMS pohybové členy Mikrofluidní systémy

Aktuátory vyvozují mechanický pohyb z nemechanického podnětu lineární vs. rotační pohyb

různé konstrukce a principy nejjednodušší prvky používají nosník



120



Nosník jako aktuátor tepelný princip relativně velké síly, energeticky náročné, pomalé jeden pásek u = ∆L = αL∆T působení proti zátěži vede k u = αL∆T − existuje kritická síla Fc = ESα∆T

FL ES

spojené pásky ∆T tak malé, aby nedošlo k ohybu při dokonalé symetrii pohyb v jednom směru více pásku pro větší sílu

dvoupáskový dva pevně spojené pásky, delší je zahříván dochází k ohnutí Aplikované nanotechnologie II


121



Elektrostatický princip podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků – hřebeny



122



Elektrostatický princip podélný nebo příčný pohyb omezení pohybu symetrickým návrhem zpravidla více nosníků – hřebeny fyzikální princip příčného pohybu elektrostatická energie We = −

εSU2 2z

mechanická energie Wm = 12 k(g0 − z)2 +Wm ) výsledná síla F = − ∂(We∂z = −k(g0 − z) + 2

εSU2 2z2

pro rovnováhu musí platit k(g0 − z) = εSU 2z2 podmínka stability (kladná druhá derivace) omezuje pohyb na z ≥ 23 g0 potřeba zarážky

pro pohyb z roviny složitější není rovnoměrná mezera

obdobné odvození pro podélný pohyb Aplikované nanotechnologie II


122



Další možnosti pohybu nosníku elektromagnetický princip vytváří větší síly při větších vzdálenostech než elektrostatický oboustranně upevněným nosníkem prochází proud externí (silné) magnetické pole vytváří se moment, který nosník natáčí

magnetický princip magnet upevněný na nosníku v externím mag. poli místo magnetu feromagnetická vrstva

piezoelektrický s tvarovou pamětí slitiny, které po zahřátí při fázovém přechodu obnoví původní tvar TiNi, AuCd

bimorfy – dva pásky s odlišnými vlastnostmi tepelné, piezo, tvarové

ohřev laserem zvláště u bimorfních pásků, vhodné pro kmitání Aplikované nanotechnologie II


123



Krokové posuvy scratch

inchworm piezoelektrický



124



Další principy membrána zahřátí zvýší tlak plynu

hydrogely dosahují velkých objemových změn při různých podnětech změn pH, koncentrace, osvětlení, teploty

nevyžadují externí napájení mohou být zároveň senzory prostředí

elektroaktivní polymery elektrostrikční materiály reverzibilní změna tvaru s el. polem

vibrační motor vibrace motorků způsobují nárazy postupný pohyb táhla dva páry pro obousměrný pohyb Aplikované nanotechnologie II


125



Rotační pohyb kruhové vibrace pomocí elektrostatického pohybu „kruhové“ elektrody změna plochy překryvu desek neumožní plnou otáčku

motory všechny mají problémy se třením první motory fungovaly jen pár minut

buzení pomocí „pólů“



126



Mikrofluidika věda o chování tekutin na mikroúrovni a technika návrhu, simulace a výroby zařízení pro transport, doručení a práci s tekutinami aplikace: tiskové hlavy, analýza krve, biochemická detekce, chemické syntézy, sekvencování DNA malá množství rychle zreagují chemicky odolné materiály kanálky pro dopravu tekutin krystalický Si – možnost anizotropního/izotropního leptání sklo – pouze izotropní (není krystalické) povrchové mechanické napětí vede k anizotropii

polymery – pomocí formování

hodně kopírují makroskopické systémy Aplikované nanotechnologie II


127



Ventily pneumatické externí řízení vzduchem velmi rychlé, velké síly

termopneumatické zahřívání tekutiny v dutině pomalé, ale velmi velká síla

elektrostatické jednoduchá struktura, snadná výroba pr. membrána s přechodem typu „S“ může mít velkou vzdálenost elektrod

piezoelektrické nejrychlejší, ale malé pohyby obtížná integrace

elektromagnetické elektroreologické změna viskozity s elektrickým polem – jen vhodné kapaliny Aplikované nanotechnologie II


128



Pasivní ventily

funkce některých může být omezena na několik cyklů povrchové napětí – dokud rozhraní neprojde přes ventil Aplikované nanotechnologie II


129



Čerpadla většina pracuje na tlakování a nuceném toku membránové čerpadlo se zpětnými ventily deformace membrány zvětšuje čerpací prostor

difuzerové čerpadlo geometricky definovaný směr toku mezi dvěma difuzery měnitelný čerpací prostor

elektroosmotické čerpadlo dvojvrstva na rozhraní kapalina/kanál vytváří se ionty podélné elektrické pole způsobí jejich pohyb ionty strhávají ostatní tekutiny netradiční profil rychlosti – téměr kolmý efektivní jen u velmi tenkých kanálků

pasivní čerpadla – bez externího napájení osmotické – ohebná polopropustná membrána, pomalé povrchové napětí – malá a velká kapka na dvou koncích kanálku Aplikované nanotechnologie II


130



Další zařízení mixery makromixery používají turbulentní toky v mikrokanálech jsou toky laminární důležitá je difúze klikaté cesty pro zvýšení velikosti difúze nízké toky µl/min

dávkovače periodické naplňování přesného objemu dva ventily – první otevřený, druhý zavřený po naplnění se vzduchem rozdělí kapalina měřicí kanál umožní změření objemu kapaliny pomocí měřítka

optofluidní zařízení – např. laditelná čočka 2 nemísitelné kapaliny, hydrofobní stěny bez napětí sférický tvar napětí přitáhne ionty soli – změna menisku Aplikované nanotechnologie II


131



Srovnání pasivních a aktivních systémů pasivní prvky jsou řízeny tokem tekutiny nevyžadují externí napájení energie z tekutiny povrchové efekty

snáze se realizují, levné nevyžadují řízení spolehlivější, pokud nemají pohyblivé části jsou specifické pro daný systém

aktivní prvky vhodnější pro široký rozsah médií méně závisí na variacích výrobního procesu



132



Senzory průtoku

průtokoměry asi 50 skupin termoanemometrické mikrosenzory i 3D měření

kalorimetrické přenos tepla



133



Digitální mikrofluidika

řízený pohyb kapalin



134


NEMS

srovnání NEMS a MEMS principy konvenčních zařízení a MEMS jsou stejné MEMS není třeba studovat na molekulární úrovni MEMS popisuje Newtonova mechanika a Maxwellova teorie NEMS popisuje kvantová fyzika MEMS jsou škálovatelné

„bottom–up“ NEMS přechod k NEMS opět zvýrazňuje vliv povrchových efektů narušení zpracováním (plazma, mechanické napětí) využití nanotrubiček, fulerenů atd.



135


Nanonosník výjimka – je škálovatelný mohou se uplatňovat jiné mechanizmy ztrát velký poměr plochy povrchu k objemu

nanometrové rozměry – GHz rezonanční frekvence složitější detekce pohybu vysoká frekvence pohybu s malých rozsahem slabý kapacitní signál – utopení v šumu

výroba z Si dobře krystalicky definovaný

oboustranně upevněné SiC nosníky Aplikované nanotechnologie II


136


NEMS a SE tranzistory

elektromechanický jednoelektronový nanotranzistor ostrůvek je na ohebném sloupku s polohou se mění pravděpodobnost tunelování na drain a source

jiný způsob – elektrostatický pohyb



137


NEMS zařízení s nanotrubičkami CNT jako nosník náhrada klasického nosníku velká mech. odolnost, bez oxidové vrstvy

bistabilní zařízení vlivem napětí se ohne do rovnováhy je-li napětí velké Upull−in , dojde k přískoku od 1 nm tunelovací proud snižuje úbytkem na R napětí – stabilizace po poklesu pod Upull−out odskočí

senzor síly nanotrubička upevněná na dvou elektrodách síla působí přes nosník kolmo k rovině elektrod mechanická deformace → změna odporu

senzor tlaku NT na membráně změna odporu hradlo pro naladění trubičky Aplikované nanotechnologie II


138


Pohybová NEMS zařízení s nanotrubičkami lineární pohyb jednotlivých stěn MWNT

realizace oscilátorů pohyb skoro bez tření



139


Nanopinzeta a nanorotor nanopinzeta dvě CNT na společném hrotu napětí se přiblíží

nanorotor MWNT s upevněnou destičkou rotace vnější části vůči upevněné vnitřní



140


Další NEMS zařízení which-path electron interferometer Aharonov-Bohmův kroužek s integrovanou QD nad QD kmitá nosník elektrické pole mezi QD a nosníkem přítomnost elektronu ovlivní vibrace dochází k modulaci interferenčních proužků

Casimirův oscilátor demonstruje vliv Casimirovy síly možnost získat energii z kvantového vakua? Aplikované nanotechnologie II


141


Cantilaser laser – kvantově mechanický oscilátor rezonančně interaguje s kontinuálně buzeným vícehladinovým kvantovým systémem

různá aktivní prostředí, ale vždy elektromagnetické kmity cantilaser – mechanické oscilace, aktivní prostředí – jaderné spiny na nosníku je feromagnetický hrot – přibližně dipólové pole pole se superponuje na uniformní pole B0 dochází ke změně Larmorovy frekvence rotující příčná složka jaderné magnetizace se dipolární interakcí váže na hrot, dochází k buzení kmitů pohybující se magnet vytváří střídavé mag. pole, které ovlivňuje přechody mezi zeemanovsky rozštěpenými hladinami dochází ke kladné zpětné vazbě, nutné pro laserování

f ∼ 20 MHz, B0 ∼ 2 T Aplikované nanotechnologie II

doi:10.1103/PhysRevLett.91.138302 MEMS, NEMS a molekulární stroje

142


Nanofluidika chování kapalin blízko povrchu a při obtékání nanotěles strukturování vody – „kvazipevná“ látka síly normálové i tečné vliv drsnosti – hodně drsný hydrofilní materiál je hydrofobní

vliv povrchových jevů – záporný tlak chování kapalin v nanokanálech (NT) velikostní separace



143


Základní principy Jednotlivé mechanické prvky Pokročilé konstrukce

Vzpomínka na supramolekulární chemii supramolekulární chemie složky drží pomocí slabých vazeb přesněji: při přidání jednoho elektronu se změní stav jen jedné složky

vybraná chemická označení rotaxany – obsahují složku ve tvaru činky, na jejíž rovné části je „navlečen“ makrocyklus; konce činky brání uvolnění makrocyklu chybí-li nejméně jeden konec – pseudorotaxan

calixareny – aromatické makrocykly ve tvaru kalichu catenany – supramolekulární sloučenina, složená ze dvou a více propletených makrocyklických složek V. Balzani, A. Credi, M. Venturi: Molecular Devices and Machines – A Journey into the Nano World, Wiley Aplikované nanotechnologie II


144



Konstrukce strojů bottom-up konstrukce pomocí atomů stroj „assembler“ sestavuje pomocí jednotlivých atomů (Drexler) zachytí atom z okolí a přemístí ho na žádané místo jeho „ruce“ jsou sestaveny z atomů – příliš velké ruce jsou „lepivé“ – atomy nejsou izolované, nereagující kuličky

pomocí molekul výhody molekul molekuly jsou velmi stabilní příroda také staví z molekul většina chemických postupů pracuje s molekulami molekuly samy o sobě mají rozličné tvary a vykonávají jednoduché funkce molekuly lze samouspořádat nebo spojit do větších struktur

využití supramolekulární chemie Aplikované nanotechnologie II


145



Pojem molekulárního stroje makroskopický stroj kombinace mechanizmů pro využití, modifikaci či přenos energie

molekulární stroj? vykonává (užitečný) pohyb na molekulární úrovni na atomární úrovni je otázka pohybu problematická na molekulární úrovni lze pohyb „snadno“ pozorovat molekuly hexa-tert-butyldecacyclene (∼ 1, 5 nm) na povrchu Cu(100) v monovrstvě – pevná poloha, 6 vrcholů osamocená – rotuje rychleji než skenování, kroužek lze přemístit hrotem do místa, kde rotovat nebude

koncept lze přenést, ale MS pracují s energiemi jen mírně nad tepelnými – velké fluktuace pohyb jader je běžná věc, pro MS musí být velká amplituda Aplikované nanotechnologie II


146



Charakteristiky MS – energie nelze využít energii tepelného pohybu (II. věta TD) chemická energie asi nelze realizovat spalovací motor chemická energie uvolňovaná „zastudena“ (biologie) běžná energie v rostlinách: adenosin trifosfát (ATP) – 12kB T ve fosfátové vazbě přejde na difosfát (ADP) a anorganický fosfát (P) 1 M, ATP; 2 M∼ATP; 3 M∼ADP∼P; 4 M∼ADP, P; 5 M, ADP, P reakce je reverzibilní, jednosměrnost díky rychlosti (12kB T/kB T)

obecně MS potřebuje dodávat „palivo“ a odebírat „odpad“

světelná energie v rostlinách jen vytváří palivo, neslouží k přímému pohybu může působit i přímo – fotoindukovaná izomerizace výhody snadné zapnutí/vypnutí díky laserům možnost práce v malých objemech a krátkých časech fotony mohou zároveň detekovat stav systému Aplikované nanotechnologie II


147



Charakteristiky molekulárních strojů typ pohybu lineární a rotační pohyby změny v molekulární struktuře spojení a rozpojení (host–hostitel) přemístění složek stažení a roztažení (umělé svaly)

způsob řízení a sledování změna stavu musí být detekovatelná změnou vlastností nejčastěji spektroskopicky

reset aby mohl pracovat v cycklech, musí se vracet do výchozího stavu reakce s přenosem protonu (zásada–kyselina), elektronu (redox) a další

časové měřítko přenos elektronů, protonů, fotonů je rychlý (od ps) vzájemný pohyb složek pomalý (až dny)

funkce mechanické pohyby, zpracování informace (logická hradla) Aplikované nanotechnologie II


148



Spontánní mechanické pohyby Cerium bis(5,15-diarylporphyrinate) dvě kola rotující kolem mol. osy 63 ot/s

vrtulový pohyb preferuje se korelovaný pohyb dvou „motorů“ otočení jedné arylové skupiny donutí druhou k opačné rotaci

ozubená kola pohyb rotorů se prokládá triptycen – pevná molekula se třemi „pláty“ spojení dvou triptycenů pomocí metylenové skupiny

kuželové ozubené kolo Aplikované nanotechnologie II


149



Spontánní mechanické pohyby lopatková kola triptycen upevněný na kroužku velký kroužek (6) – může se volně otáčet

brzdy triptycil spojený s bipyridinem bipyridin může být koplanární nebo ne změna pomocí kovového iontu

rohatka se západkou točí se v obou směrech Aplikované nanotechnologie II


150



Molekulární nástroje pinzeta v trans stavu je azobenzen protažený světlo způsobí přechod do cis schopnost vázat kovové ionty cis váže K+ 42× lépe než trans pro Na+ funguje opačně

molekulární zámek využívá vazby Pt(II)–bipyridin (nevratná za běžných podmínek) pomocí self-assembly se vytváří kroužek z A a B propletení: ◦ přítomnost NO− 3 a teplota 100 C kroužky se rozpojí vzájemně se propletou po odstranění soli a zchlazení se kroužky spojí



151



Molekulární nástroje

přenos iontu redoxní proces trojřetízková struktura dvě vazebná místa Fe(III) preferuje spodní, Fe(II) horní

po redukci kys. askorbovou dojde k přechodu přidání peroxydisulfátu vrátí zpátky pomalý proces (minuty až hodiny)



152



Rotační motor ATP syntáza využívá ATP i elektrochemického potenciálu dva protichůdné motory na společné hřídeli F1 hydrolyzuje ATP F0 využívá koncetrace protonů běžně vítězí F0 , otáčí v protisměru F1 → tvoří se ATP z ADP když zvítězí F1 , tvoří F0 protonové čerpadlo



153



Hybridní motor využívá ATP syntázu Ni podložka (průměr 50 nm, výška 200 nm) molekuly F1 -ATP modifikované pro vazbu na Ni Ni tyčinka (průměr 150 nm, délka 1 500 nm) po přidání ATP bylo vidět otáčení

možnost zatočit si motorem Aplikované nanotechnologie II


154



Lineární motor myosin pohybuje se podél aktinového vlákna spotřebovává ATP jeden krok 36 nm celý pohyb pomocí 6 stavů zachycení ATP uvolnění hlavičky a její posun hydrolýza ATP uchycení hlavičky k aktinu uvolnění ADP – pomalý proces

lineární pohyb rotaxanů dvě identická „vazebná“ místa makrocyklus může přeskakovat sem a tam



155

Měření v nanosvětě Nanometrologie

Nosníkové metody Vybrané měřicí aplikace Spektroskopie sil a nanoindentace

Měření v nanosvětě techniky pro „objemovou“ charakterizaci rentgenová difrakce a fluorescence specifická plocha povrchu spektroskopie Mösbauer UV a VIS magnetická rezonance

termogravimetrie

techniky pro charakterizaci jednotlivých nanoobjektů elektronová mikroskopie – velikost a složení mikroskopie se skenující sondou měření s nanomanipulátory a nanokontakty elipsometrie – tloušťka vrstev


Nanoměření

156



MEMS nosník jako měřicí systém změna stavu nosníku vlivem externích podnětů statické – nedojde k pohybu bez vnějšího podnětu ohnutí vlivem síly δ =

FL3 3EI

ohnutí vlivem zatížení δ = w0 síla na jednotku délky

w0 L 4 8EI

2

(1−ν) Stanleyho rovnice δ = 3L Ed ∆σ 2 ∆σ změna mechanického napětí

dynamické – nosník kmitá q rezonanční frekvence ω = mkef q ef βi2 k pro volné kmity fi = 2π√ m 3


Nanoměření

157



Určování parametrů nosníku tuhost nosníku – důležité pro statické metody metody měření výpočtem: k = 3EI L3 rozměry pomocí optického/elektronového mikroskopu složitější určení tloušťky přesný tvar hodnota E zatížení kuličkou: podle definice k, destruktivní tepelná metoda: tepelné vibrace nosníku střední kvadratická hodnota výchylky musí odpovídat tepelné

rovnováze k z2 = kB T zatížení známým nosníkem

rezonanční frekvence – důležité pro dynamické metody proměřením rezonanční křivky

činitel kvality Q Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

158



Vliv zatížení pro dynamický systém zatížení hodnotou ∆m r k βi2 ∆m fi = √ 2π 3 m + ∆m pokud tvoří vrstvu dojde ke změně I a nosník je tužší r βi2 k 3Eads Iads k fi = √ + L3 m 2π 3 m obě změny fi∆m,k

βi2 = √ 2π 3

s


k 3Eads Iads + 3 m + ∆m L (m + ∆m) Nanoměření

159



Statické zatížení – chemické senzory bez vnějších vlivů ohnutí souvisí s gradientem mech. napětí chemické senzory: jedna strana nosníku je pasivní druhá je aktivní vzhledem k měřené sloučenině tři rozdílné modely


Nanoměření

160



Aplikace senzor vlhkosti

umělý nos


Nanoměření

161



Bioaplikace

detekce antigen–antibody analýza enzymů


Nanoměření

162



Citlivost dynamického režimu

pro adsorbci na celé ploše nosníku platí citlivost S = lim∆m→0

1 ∆f f0 ∆Γ

=

f02 −f12 f02

≈

∆m m

1 df f0 d m

veličiny ∆Γ a d m jsou normované k ploše povrchu

pro případ nosníku: S =

∆f 1 ρads dads f0

r 5 B TB minimální detekovatelná hmotnost: ∆Γ = 8 2π fkk 5Q 0

teoreticky až atomární rozlišení hmotnosti


Nanoměření

163



Měření lokálních potenciálů volné kmity nosníku podléhají okolnímu prostředí princip rekonstrukce: pravděpodobnost polohy x je p(x) = p0 e−V(x)/kB T p(x) inverzí vztahu získáme V(x) = −kB T ln p0 1 2 3

sledujeme okamžité polohy nosníku určujeme pravděpodobnosti p(x) výpočtem určíme potenciál

tepelné kmity s parabolickým potenciálem Vn (x) = 21 kx2 přídavný elektrostatický potenciál větší odolnost – buzení bílým šumem


Nanoměření

164



Měření viskozity rezonanční frekvence závisí na okolním prostředí q 1 2 2 4 ω= 9(Kηρ) + 64ω0 − 3(Kηρ) 8 K konstanta závislá na nosníku ρ hustota prostředí η viskozita

u vodných roztoků se mění především viskozita sledování změny tepelných vibrací stejný efekt jako parazitní jev: vliv tlaku a viskozity vzduchu odlišná závislost poblíž povrchu Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

165



Nanotermogravimetrie pracuje s množstvím ng, citlivost pg piezoelektrický nosník, zahřívání i detekce korekce na změnu teploty vzorek CuSO4 · 5H2 O


Nanoměření

166



Měření molární susceptibility

modifikace Faradayova uspořádání, objem vzorku 100 µm3 nejprve se známým materiálem určí intenzita a gradient pole poté se určuje poměr např.

χref χs

=

χref χs

dynamicky nebo staticky

ms Mref Us mref Ms Uref

U signál fotodektoru m hmotnost M molární hmotnost

vyžaduje určení hmotnosti


Nanoměření

167



IR detektor detekční mechanismus: velká absorpční plocha tenké nosníky (mech. podpora, tepelná izolace, bimetal SiNx + Al)

skenování měřeným objektem nebo pole nosníků


Nanoměření

168



Měření Youngova modulu pomocí EM přiložení střídavého napětí rozkmitání nanotrubičky


Nanoměření

169



Nanoteploměr nanosystém složený ze dvou částí vodivost závisí na jejich vzájemné poloze tepelné fluktuace vedou k pohybu úměrnému T vhodným systémem je dvoustěnná uhlíková nanotrubička DWNT nechirální souměřitelné stěny G(T) = G1 (T) (1 + HT) podmínka správné funkce H∆T

∆G1 (T) hG1 (T)i

pohyblivá část musí být krátká

lze sestavit i analogii skleněného rtuťového teploměru nanotrubička naplněná Ga využívá teplotní roztažnost délka „sloupce“ se určuje elektronovým mikroskopem nevhodné pro integraci v MEMS/NEMS Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

170



Spektroskopie sil mapování závislosti síly na vzdálenosti, F–d křivka měří závislost ohnutí nosníku na prodloužení piezokeramiky k čemu slouží kvalitativní i kvantitativní posouzení sil rozlišení adsorbovaných materiálů studium elastických vlastností (povrchů i molekul) studium síly vazeb

surface forces apparatus (SFA) první technika pro měření sil mezi povrchy skřížené slídové válce s průměrem 1 cm jeden připevněn k piezoposuvu druhý zavěšen na pružině

interferometrické měření vzdálenosti problém s drsností doi:10.1016/S0167-5729(99)00003-5 Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

171



Průběh F–d křivky působící síla je F = −kc δc během měření se řídí z, skutečná vzdálenost hrotu od vzorku je d = z − (δc + δs ) změřenou závislost je nutné přepočítat: vertikální osa musí být silová citlivost detektoru

horizontální osa musí odpovídat d

určení baseline a bodu kontaktu


Nanoměření

172



Vliv tuhosti nosníku

vznikají rozdíly mezi přiblížením a oddálením existence oblasti, kterou nelze proměřit čím větší k, tím přesnější, ale méně citlivé


Nanoměření

173



Typy povrchů nekonečně tvrdý bez povrchových sil nekonečně tvrdý s povrchovými silami deformovatelný bez povrchových sil deformovatelný s povrchovými silami


Nanoměření

174



Youngův modul pružnosti pomocí spektroskopie lze určit redukovaný modul pružnosti 1 E∗

=

1−νt2 Et

+

1−νs2 Es

platí

√ ∗

E = z měření se získá

∂F ∂δs ,

π ∂F 1 √ 2 ∂δs A

kde δs je deformace vzorku

je třeba modelovat tvar hrotu pro určení plochy A různé aproximace kontaktu: Hertz, JKR, DMT

znalost Poissonova čísla (nebo aproximace νs = 21 )


Nanoměření

175



Další využití spektroskopie chemical force microscopy – síla vazeb, „pružnost“ proteinů, vliv rychlosti force-volume imaging colloid probe microscopy – definovaný povrch dynamická – amplituda


Nanoměření

176



Nanoindentace záměrná plastická deformace povrchu měří se hloubka deformace a její profil k měření tvrdosti potřeba velké tuhosti – speciální přístroje kombinace s AFM pro měření parametrů


Nanoměření

177


Úvod do nanometrologie Rentgenová interferometrie AFM metrologie

Problematika nanometrologie rozšíření délkové metrologie do nanorozměrů zaručení jednotnosti a správnosti měření rozměry pod 100 nm, nejistoty často pod 1 nm většinou mikroskopické techniky komerční přístroje bez návaznosti na jednotku délky

problém s definicemi dle norem

délková metrologie – interference stabilizovaným laserem pro přesná měření optická interferometrie rozlišení pod 1 nm i kapacitní a induktivní senzory bez návaznosti na metr důsledně rozlišovat přesnost (rozlišení) a správnost

konstrukce přístrojů kinematický design (Kelvin) Abbeho princip izolace Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

178



Optická interferometrie využití vzdálenosti maxim/minim – vlnová délka Michelsonův interferometr polarizace, 1 nebo 2 vlnové délky pro menší rozměry – interpolace teoreticky sinusový průběh vliv indexu lomu, polarizace, difrakce nedokonalosti optiky Fabry-Perot: lepší počítání, horší interpolace

průměrování přes velkou plochu rozlišení vícesvazkových speciálních interferometrů až 0,01 nm


Nanoměření

179



Problémy optické interferometrie v technické praxi – měrky definice mechanického a optického rozhraní a drsnosti (chyba až 50 nm) nejistota vlnové délky vliv teploty a možnost jejího určení index lomu prostředí, pro vliv menší než 10 nm při 100 mm změna vlhkosti pod 10 % změna teploty pod 0,1 ◦ C změna tlaku pod 40 Pa vlnová délka s nejistotou pod nm

měření posunutí kosinová chyba vliv nelinearity Heydemannova korekce


Nanoměření

180



Rentgenová interferometrie tři Si destičky z monokrystalu, rovnoměrně vzdálené vybroušené plochy kolmé k rovinám (220) LLL interferometr (Laueho difrakce, Braggův odraz) minima vzdálená o d220 , nezávisí na λ nelze pozorovat přímo → Moiré proužky pohybem poslední lamely


Nanoměření

181



Combined Optical and X-ray Interferometer (COXI) zařízení pro kalibraci nanoposuvů pro posuvy do 1 µm je nejistota pro 95 %: ±30 pm ∆l = 14 λ0 (N02 − N01 ) + (nx2 − nx1 )d0220 + (fx2 − fx1 )d0220


Nanoměření

182



Vlastnosti COXI optický interferometr hrubé, ale velmi přesné měřítko navázaný na metr He-Ne laser stabilizovaný I

rtg. interferometr dělí každý optický „proužek“ na rovné díly (přes 800) (0,192 015 497 ± 1,2 · 10−8 ) nm při 22,5 ◦ C a 100 kPa Mo Kα , přes válcové parabolické zrcadlo zvýšení intenzity filtrace nežádoucích složek

prostředí – tlumení vibrací, stabilní teplota


Nanoměření

183



Princip kalibrace zrcátko T spojeno s motorem zrcátko X spojeno s posuvnou lamelou 1 2

3

4 5 6

7

motor v základní poloze T0 výsledek optické interference je v libovolné hodnotě posuvem X se opt. interference vyladí tak, aby byla v minimu motor se přesouvá do polohy T1 počítá se počet optických proužků n pak se posune X tak, aby byl optický proužek opět v minimu, počítají se rtg. proužky N výsledný posun je nλ + Nd220

pro malé posuvy lze čítat pouze rtg. proužky nad 7 µm proužky mizí vlivem velké deformace materiálu Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

184


Rentgenová interferometrie AFM metrologie Standardy

Metrologické AFM obsahují vazbu na definici metru 3 interferometry možnost velkého skenovacího rozsahu korekce při výpočtu nebo real-time


Nanoměření

185



Kritické rozměry

vyhodnocování roztečí, šířky čar apod. speciální tvary hrotů měření vertikálních a „podřezaných“ stěn speciální skenovací algoritmy odhady tvaru hrotu drahé hroty


Nanoměření

186



Standardy rozteče přirozené standardy pro atomární rozměry – perioda mříže vyžaduje atomární rozlišení AFM i TEM, nelze pro SEM

umělé standardy 1D nebo 2D mřížky

v případě AFM platí často kalibrace jen pro dané podmínky nutno zohlednit např. výšku vzorku


Nanoměření

187



Analýza laterální kalibrace

případ 1D mřížky optická difrakce, AFM nebo SEM liší se počet proužků, tj. statistika

profily deformovány podle metody AFM – nesymetrické SEM – zvýraznění hran

vhodná definice referenčního bodu


Nanoměření

188



Výškové standardy výška nějakého přechodu vždy problém s vlhkostí a znečištěním

přirozené standardy 1

vicinální povrchy

2

leptání slídy vzorky typu DNA problematické nemají „normovaný“ tvar

např. Si(111) – 0,314 nm?? 3 4

umělé standardy pomocí mikrotechnologie od 8 nm, velké rozteče „kalibrační“ kuličky

měření provádět kolmo k přechodu Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

189



Analýza výškové kalibrace

skenování rovnoběžné s plochou jinak výškové zkreslení (cos) lepší než fitace plochy je pootočení

využití histogramu pro statistiku vztah pro neznámou výšku: hx =

hc hcm hxm

+

P

δhi

nejistota: u2 (hx ) = u2 (hc ) + u2 (hcm ) + u2 (hxm ) +u2 (δhnelin ) + u2 (δhcross ) + · · ·


Nanoměření

190



Další standardy rovinnost krystaly rostlé Czochralského metodou vznikají atomárně hladné stěny (< 1 nm)

drsnost mezera mezi rovinným sklem (∼ 2 nm) a technickými standardy uměle zvrásněné plochy (nanogrinding) zvrásněné v jednom směru, hladké v druhém

tloušťka vrstev tenká vrstva na čisté podložce rozdílné pro různé techniky rtg – křemen, Ni vrstva mezi ochrannými uhlíkovými vrstvami elipsometrie – SiO2

určování pomocí TEM, litografické tvarování pro AFM Aplikované nanotechnologie II

Nanoměření

191



Další nano v metrologii

nanoúhly např. interferometrem

nanohmotnosti problémy např. s nečistotami


Nanoměření

192

Vybraná literatura Dostupné elektronicky: Springer Handbook of Nanotechnology Introduction to Nanoscale Science and Technology Mechanics of Microelectromechanical Systems MEMS: A Practical Guide to Design, Analysis, and Applications Ostatní: Husák, M.: Mikrosenzory a mikroaktuátory, Academia 2008 Wilkening, G.; Koenders, L.: Nanoscale Calibration Standards and Methods, Wiley-VCH 2005 Goser, K.; Glösekötter, P.; Dienstuhl, J.: Nanoelectronics and Nanosystems, Springer 2004 Leach, R.: Fundamental Principles of Engineering Nanometrology, Elsevier 2010 Aplikované nanotechnologie II

193

Aplikované nanotechnologie II

Recommend Documents